專利名稱：鉆井及固井的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鉆井和固井。
采用由安裝在鉆桿底端的側旋轉鉆頭所組成的旋轉鉆井裝置以完成井眼的旋轉鉆井。當向地下旋轉產(chǎn)生井眼時，向鉆頭施以重壓。鉆桿是中空的，而且當井眼加深時將管狀部件接到鉆桿上以增加其長度，在旋轉鉆井時，可以通過旋轉鉆桿和/或通過驅動安裝在鋁桿底端的下孔電動機來使鉆頭轉動。
這種旋轉鉆井過程產(chǎn)生大量的摩擦，會產(chǎn)生熱量，以及被穿透的地層的碎塊。地層碎塊必須從井眼中取出，而且必須使鉆頭冷卻以延長其使用壽命，所有這兩個必要條件可以通過將液體沿鉆桿內向下和在鉆桿和井眼之間向上到達地面的循環(huán)來完成。
一旦井眼已經(jīng)鉆到予想的深度，最好能分隔出井眼所穿過的分離的區(qū)域、地帶或地層。為了能從地層中抽出液體，必從地面向下在井眼內插入導管(套管)，并且在套管內按裝襯管。
此時必須用一種材料填充套管和井眼臂之間或者襯管和套管之間的環(huán)形空間，這種材料會將環(huán)形空間密封，并且為套管或襯管提供給構支撐，這通常被稱為固井。
通常，井眼被鉆井液所充填，此鉆井液也叫做鉆井泥漿，必須移動這種泥漿與水泥一起去充填套管和井眼臂之間的環(huán)形空間域。這其中存在著一個問題，那就是產(chǎn)生了貫穿于加固史上的固井的困難。傳統(tǒng)的普通水泥和傳統(tǒng)的鉆井液是不相容的。因此，當水泥被貫注下到套管或襯管而后向上進入環(huán)形空間時，它就和鉆井液混合，套管或襯管底部附近的區(qū)域被水泥膠合，同時從環(huán)形空間的底部向上不同長度的區(qū)域被一種混合物所充填，而這種混合物不能形成堅固的水泥。
通常在安裝了每個套管或襯管以后必須利用壓力測試手段來檢驗其完整性，然而，如果在其底端區(qū)域沒有密封好，壓力測試就會失敗，因此，在工業(yè)上就發(fā)展了一種復合系統(tǒng)以防止這一問題。通常被稱作吊環(huán)的裝置安裝在欲被水泥膠合的套管或襯管底部。套管或襯管有一個向內凸出的邊緣。粘結泥漿被導入套管，隨后加入橡膠壓塞(wiper plug)。然后，移動的液體將壓塞向下推，這樣移動了套管中的粘結泥漿并進入到套管底部區(qū)域，在這里它改變了方向，并且向上流入環(huán)形空間。當壓塞到達吊環(huán)區(qū)域時，就被向內凸出的邊緣擋住，并形成密封以便進行壓力測試，盡管這并不能總得到良好的密封。這些問題在使用大直徑套管和襯管時更加嚴重。
概括地講，作為粘結材料的爐渣已在美國3 557 876號專利說明書中予以說明。
在油井套管和周圍井眼之間環(huán)形空間的固井已經(jīng)實施了90年以上。很早以前人們就已經(jīng)認識到將環(huán)形空間內的鉆井液固化以減少加固套管的費用可能是有益的。美國2 649 160號和3 887 009號專利揭示了沿著這一路線人們已經(jīng)進行了幾十年的各種努力。然而，盡管這些技術大概是可行的，但是在經(jīng)過許多年以后，仍然設有達到商業(yè)化。美國3 499 491號專利說明書描述了在這一方向上的另一種努力，其中在水狀的鉆井液中使用普通水泥(波特蘭水泥)以形成泥漿混凝土，然而，普通水泥對水與固體的比值非常敏感。即使在理想條件下，僅僅少量增加固體的量就會導致非常粘稠體。另一方面，僅僅稍微降低一點固體的量就會導致產(chǎn)生一種非常弱的結構的組成。這些問題在試圖在鉆井液中使用普通水泥時會更加嚴重。因此，當這種技術在商業(yè)上使用，就會產(chǎn)生嚴重的缺欠。
本發(fā)明的一個目的就是加固套管或襯管而不必要用壓塞或浮動環(huán)。
本發(fā)明的另一個目的就是在環(huán)形空間得到良好的密封，從而將套管和周圍的井眼或管子密封，而且，在有鼠洞的情況下，仍能將要被膠合的套管或襯管的底端進行良好的密封。
本發(fā)明的另一個目的是在固井期間避免鉆井液和水泥在其界面處不相容的問題。
本發(fā)明的另一個目的是經(jīng)濟地密封大直徑套管和襯管。
為了達到這一目的，依據(jù)本發(fā)明，鉆井和固井的方法包括
采用鉆井液鉆探井眼，如此會產(chǎn)生用過的鉆井液;
用水，高爐爐渣和活化劑組合配料以制備膠結泥漿;
在井眼中安置一根管;
使膠結泥漿向下通過管子;以及通過與置換液直接接觸的方法使膠結泥漿向上移動進入管子周圍的環(huán)形空間。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用含有高爐礦渣和活化劑的膠結泥漿，可以進行加固，而不必使用滑動片塞和浮動環(huán)，就是說，可以通過讓置換液和粘結泥漿直接接觸的手段。
在本說明書中，膠結材料是指或者是水硬材料，高爐礦渣，在其與水和/或活化劑接觸時變硬或固化成硬化的組合物，或者是一種成分，當其與具有反應活性的第二組分接觸時，變硬或者固化成硬化的組合物。因此概括地講，其可以被看作是一種可通過化學結合作用而形成膠合劑的材料。
這種膠結材料和一種或多種能使其變硬的成份的泥漿在此處被稱作“膠結泥漿”。
“通用液體”在此處是用以指這樣一些混合物，其含有膠結材料，它的組成應適于作鉆井液，并且以后為了實施本發(fā)明的目的，其組成中應具有另外加入膠結材料和/或活化劑如促凝劑(或具有反應活性的第二組分)以形成粘結泥漿。
置換液與膠結泥漿之間的“直接接觸”是指置換液直接與膠結液漿柱上表面接觸，此上表面系相對于膠結泥漿與置換液之間安置的壓塞而言。這樣還使得操作在沒有浮動環(huán)來阻擋壓塞的情況下仍能進行。
“水硬性材料”是指一種材料，在與水和/或活化劑接觸時，其能成為堅硬的材料。
“管子”是指套管或襯管。
“固”是指任何加固操作，其中，膠結泥漿向下通過管子，并向上進入管子周圍和井眼或前述套管間的環(huán)形空間，這樣就完成了套管和襯管兩者的加固，套管加固中，環(huán)形空間處于套管和井眼壁之間，而襯管的加固中環(huán)形空間是處于襯管和套管之間。
“活化劑系統(tǒng)”在高爐礦渣的情況中是指活化劑，或者是指接受質子的金屬化合物的具有反應活性的第二種組份。這具有反應活性的第二種組分可以是如下文詳述的高聚物，或者是下文詳細說明的磷酸。
本發(fā)明進一步包括鉆井和固井的方法，包括將顆粒尺寸為2000-15000cm2/g之間的高爐礦渣與一種水性鉆井液相結合，高爐礦渣的存在量在鉆井液加高爐礦渣的2.8-280kg/m3之間;
利用鉆井液在鉆井運行中形成井眼以產(chǎn)生用過的鉆井液;
將另外的高爐爐渣和活化劑同用過的鉆井液結合在一起以制造膠結泥漿;
在井眼中安裝管子;
讓膠結泥漿向下通過管子;以及通過與置換液直接接觸的辦法將膠結泥漿向上移動進入管子周圍的環(huán)形空間。
本發(fā)明包括鉆井和固井的方法，包括將含有水和具有接受質子組分的金屬化合物的成分結合在一起以制造鉆井液;
在鉆井操作中使用鉆井液以形成井眼，因此產(chǎn)生用過的鉆井液和沉積泥餅;
使泥餅與具反應活性的第二組分接觸;
在泥餅沉積以后于井眼內安裝管子;
使膠結泥漿向下通過管子;而且通過用置換液直接接觸的方法使膠結泥漿向上移動進入管子周圍的環(huán)形空間。
現(xiàn)在將依據(jù)附圖對本發(fā)明進行更詳細的說明，在這些附圖中，相同的參考數(shù)字表示以不同的觀點所看到的相同的部分，其中

圖1是帶有根據(jù)現(xiàn)有技術所加固的襯管的井眼的橫截面圖;以及圖2是帶有根據(jù)本發(fā)明所加固的襯管的類似的井眼的橫截面圖。
現(xiàn)在參看圖1，此處展示的是傳統(tǒng)的加固操作，其中并不是按照本發(fā)明的方法將井眼鉆入到地下的地層中。井眼的上部展示出套管10，而且由井眼臂12所限定的井眼的更進一步的延伸已被說明。襯管14被安置在井眼內，此襯管14必須固定在應用的位置上。定中心裝置16定在襯管管的中心。具有環(huán)形邊緣20的吊環(huán)18被安置在襯管的底部。壓管22被安置在襯管內部。具有閥26的浮動托24附加在吊環(huán)的底部。井眼從其底部向上剛好到達浮動托的下面之間充滿鉆井操作過程中的鉆井液，鉆井液用參考數(shù)字28說明，井眼的這一部分叫做鼠洞，并且一般都存在，盡管浮動托可以靜置在井眼的底部。
圖1代表了現(xiàn)有技術，而且展示了加固操作的階段，其中置換液30推著壓塞22沿襯管14向下，直到其抵達吊環(huán)18的邊緣20，如此而形成密封。粘結泥漿32被驅使向下通過閥26并且從浮動托的底部出來，如箭頭34所示。在此過程當中，粘結泥漿32同鉆井液28混合，就在浮動托的下面和浮動托與井眼壁之間的環(huán)形空間上面形成不相容混合物，盡管沒有表示出來，這種脆弱的水泥/泥漿混合物在套管10和襯管14之間的環(huán)形空間向上程度不同的擴展，基本上這種情況一直擴展到環(huán)形水泥柱頂端的整個區(qū)域。因此，井眼并沒有被很好地密封。因此需要在壓塞22和吊環(huán)18的環(huán)形邊緣20之間進行密封。此圖表示了剛好將粘結泥漿安置到環(huán)形空間時的操作情況。在其凝固時，鉆井液正在浮動托和吊環(huán)的內部向上移動，形成脆弱的水泥，或者甚至使粘結泥漿不能在合理的時間內凝固。
圖2展示了依據(jù)本發(fā)明的粘結液漿安置情況。因為使用了粘結泥漿38，其與鉆井液40相容，在浮動托底部和環(huán)形空間上部的區(qū)域42是粘結泥漿和鉆井液的相容的混合物，該混合物將會凝固而形成堅硬的水泥。如同可以見到的那樣，置換液30和可相容的粘結泥漿38在其界面44處直接接觸。
當這種方法與襯管的加固相連系而被描述的時候，其中粘結泥漿被驅使進入襯管和套管之間的環(huán)形空間46，同樣可以用來加固套管，在這之中，粘結泥漿被驅使向上進入套管和井眼壁之間的環(huán)形區(qū)。
本文所使用的術語“鉆井液”是指水，或者是油基液體，其包含水和至少一種添加劑，例如增調劑，稀釋劑，溶解的鹽，從鉆探的地層中所得到的固體，用以增加液體密度的固體增重劑，用以阻止在鉆井液和地質構造之間有害相互作用的地層穩(wěn)定劑，以及改進鉆井液潤滑性的添加劑。
所以使用傳統(tǒng)的鉆井液或者采用此處所描述的通用液體進行鉆井。
一般地，在通用液體的實施方案中，向其中加入粘結材料以形成本發(fā)明所使用的通用液體的原料就是傳統(tǒng)的鉆井液?！八@井液”意指包括淡水鉆井液和含鹽水的鉆井液兩者。無論其是由海水制成的還是由鹽水制成的，以及其他包括油水乳液的并含有作為連續(xù)相水的鉆井液。
有時希望水基鉆井液使用含水的可溶性鹽，尤其是氯化鈉，在這些例子當中，可以使用0.1%至26%，最好是3%至10%重量比的氯化鈉，一個適宜的來源是使用海水，或者是模擬海水的鹽溶液，尤其是在使用礦渣的實施方案中，所得到的水泥的強度實際上是增強了，這一點與普通水泥對鹽水不能相容的情況恰好相反。除去NaCl以外，或者代替NaCl，不同的鹽類，可取的是有機鹽，也適用于本發(fā)明所用的鉆井液，其中包括，但非限制性，NaBr，KCl，CaCl2，NaNO3，NaC2H3O2，KC2H3O2，NaCHO2，以及KCHO2，其中氯化鈉是優(yōu)先選擇的，正如上邊已經(jīng)提到的。如果需要，在所采用的條件下，這些鹽可以一直使用到其飽和程度。
術語“油基液體”是指作為連續(xù)相的含油的包容液體，其包括低水含量的油基鉆井液和逆油乳化鉆井液。
一種典型的鉆井液的配方如下所示，可以向其中添加膠結材料以形成通用鉆井液10-20%重量比的鹽，23-28kg/m3的皂土，11-17kg/m3羧甲基淀粉(液體損耗阻止劑)，是Milpark Drilling Fluids以“BIOLOSE”的商品名出售的，1-3kg/m3部分水解的聚丙烯酸酰胺(PHPA)，這是一種頁巖穩(wěn)定劑，由Milpark Drilling Fluids以“NEWDRIL”的商品名出售的，3-4kg/m3CMC，是由Milpark Drilling Fluids以“MILPAC”的商品名出售的，85-200kg/m3的鉆屑，以及0-715kg/m3的重晶石。
因此，這種通用液使鉆井和固井的方法成為可能，這種方法包括利用將鉆井液與粘結材料混合的辦法制造通用液;用鉆井液鉆探一個井眼以及在鉆井過程中在井眼壁上沉積可凝固的泥餅;添加另外的粘結材料和/或促凝劑(或者是具有反應活性的第二種組分)以及依據(jù)本發(fā)明的直接置換的方法將如此形成的粘結泥漿導入井眼和管子周圍的環(huán)形空間，在這里膠結泥漿變硬并且與泥餅之間形成很好的粘結，這種泥餅本身也隨時間而變硬，因為在其中存在著粘結材料。加入任何促凝劑均能使這種變硬過程變得很容易，這些促凝劑可以存在于粘結泥漿中，并且它可通過擴散和/或滲透作用遷移到泥餅中。
膠結材料可以是下述物質中所選出的一種，包括高爐礦渣，用以產(chǎn)生離子交聯(lián)聚合物的金屬氧化物，以及用以產(chǎn)生磷鹽的金屬氧化物成分。高爐礦渣是指從金屬的熔化過程中或者高爐中礦石的還原過程中所產(chǎn)生的水硬性廢棄物，如同美國5058679號專利說明書中所揭示的那樣，其內容在此結合參照。“磷鹽”是指膦酸鹽，磷酸鹽或者多磷酸鹽，后文詳述。
本發(fā)明優(yōu)選的高爐礦渣是一種通過用大量的水密切接觸的方法將溫度在1400℃至1600℃之間的熔融的爐渣流快速淬冷而制得的高玻璃態(tài)成分的爐渣。淬冷使爐渣流轉化成具有水硬性質的玻璃態(tài)的一種材料。在這個階段，它一般是顆粒狀的材料，這種材料很容易研磨成理想的細度。二氧化硅，氧化鋁，氧化鐵，氧化鈣，氧化鎂，氧化鈉，氧化鉀，以及硫是爐渣中的一些化學組分。本發(fā)明中所使用的高爐礦渣最好具有如此大小的顆粒，以使其比表面積在2000cm2/g和15000cm2/g之間，優(yōu)選是在3000cm2/g和15000cm2/g之間，較佳在4000cm2/g和9000cm2/g之間，最佳在4000cm2/g和9000cm2/g之間，最佳在4000cm2/g和8500cm2/g之間。在每種情況下，比表面積或表面積是指Blaine比表面積，一種能滿足這些要求的可使用的高爐礦渣是Blue Circle Cement公司以“NEWCEM”為商品名而在市場上出售的。這種礦渣是從位于Sparrows Point，Maryland的Bethlehem鋼鐵有限公司的高爐中得到的。
通常高爐礦渣組成范圍的重量百分比為SiO2，30-40;Al2O3，8-18;CaO，35-50;MgO，0-15;鐵的氧化物，0-1;S，0-2以及錳的氧化物，0-2。一個典型的特例是SiO2，36.4;Al2O3，16.0;CaO，43.3;MgO，3.5;氧化鐵，0.3;S，0.5;以及氧化錳，＜0.1。
具有相對較小顆粒的高爐礦渣常常是理想的，因為它在許多情況下能使最終生成的水泥具有更大的強度。依據(jù)顆粒大小為特征，“細”可以用以描述比表面積在4000至7000cm2/g之間的顆粒，相應于16至31微米大小，“微細”可以用來描述比表面積在7000至10000cm2/g范圍的顆粒，其相應于5.5-16微米大小的顆粒，以及“超細”可以用來描述比表面積超過10000cm2/g的顆粒，其相應于5.5微米和更小的顆粒。小顆粒的高爐礦渣可以從Blue Circle Cement Co.，Koch Industries，Tulsa，Oklahoma處得到，其商品名為“WELL-CEM”，也可從Geochem處得到，其商品名為“MICROFINE MC100”。
然而，將高爐礦渣研磨成如此大小的顆粒需要非常多的時間，不可能將高爐礦渣研磨成全部只有一種大小的顆粒。因此，任何研磨操作都將得到多分散的顆粒大小的分布。將顆粒大小對具有那種大小的顆粒的百分比作圖將會得到一條曲線來表明顆粒大小的分布。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，一種具有多分散顆粒大小分布，與在顆粒大小對具有那樣大小顆粒百分比的曲線上至少有兩個交點的高爐礦渣將被采用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果僅有一部分顆粒處于超細范圍內，其余大部分爐渣可以被較為粗糙地研磨而且仍能得到與從全部高爐礦渣被較昂貴的研磨或超細狀態(tài)所能得到的基本上相同的結果。因此，能夠得到至少5%在1.9至5.5微米范圍顆粒的研磨工藝在經(jīng)濟和有效性方面能提供特殊的好處。更好的是有6-25%重量比的顆粒其大小處于1.9至5.5微米的范圍內。得到這種組成的最直接的方法是簡單地將小部分高爐爐渣研磨至超細狀態(tài)，并且將所得到的粉末與在較不嚴格條件下研磨所得到的礦渣混合，即使采用不太嚴格的條件，仍然會有一部分顆粒處于細的、微細的或超細的范圍，因此，只有一小部分，即少至4%重量比的礦渣需要研磨成超細顆粒。一般地，5至25%，最好是5-10%重量比的礦渣被研磨成超細大小的顆粒，而剩余的以正常方式研磨，這樣得到的顆粒處在大于11微米的范圍，其中大部分處于11至31微米范圍內。
適宜的活化劑包括氫氧化鋰，碳酸鋰，硅酸鈉，氟化鈉，硅氟化鈉，氫氧化鎂，氧化鎂，硅氟化鎂，碳酸鋅，硅氧化鋅，氧化鋅，碳酸鈉，碳酸鈦，碳酸鉀，氫氧化鈉，氫氧化鉀，硫酸鉀，亞硝酸鉀，硝酸鉀，氫氧化鈣，硫酸鈉，硫酸銅，氧化鈣，硫酸鈣，硝酸鈣，亞硝酸鈣，以及它們的混合物。苛性蘇打(氫氧化鈉)和純堿(碳酸鈉)的混合物是優(yōu)先選用的，因為其有效性和易于使用。當使用諸如苛性蘇打和純堿之類的堿性試劑的混合物時，其比例可在相當大的范圍內變化，因為每一種都能單獨起到促凝劑的作用。最好是用3-57kg/m3的苛性蘇打，較佳用6-18kg/m3的苛性蘇打與6-143kg/m3，較佳是6-60kg/m3的純堿相配合使用。
離子交聯(lián)聚合物是指有機金屬組合物，其含有附著在聚合物鏈上，或者與聚合物單鏈或多鏈發(fā)生嚙合(交聯(lián))作用的金屬，這種離子交聯(lián)聚合物的合適的聚合物成分可以用分子式表示
在這里A是羧基，硫酸根，磷酸根，或者是羧基和酰胺基的混合物，R是H，或者是含1-10個碳原子的烷基。m與n的比值通常在0∶1和100∶1之間，最好是在0.1∶1和10∶1之間。
聚合物的官能團與聚合物鏈碳原子之比一般在1∶2和1∶10之間，更好地大約是1∶3。因此，如果m和n都是1，R是H，A是羧酸根，那么羧基碳(1)對聚合物鏈碳(4)之比為1∶4。這種聚合物還可以是一種多羧酸的聚合物。另一種聚合物是由部分水解的聚丙烯酰胺制得的。水解作用可以從1%到100%之間變化，更好地是從10%到50%，而最好是從25%到40%聚合物的分子量可以在很大范圍內變化，只要是使聚合物要么是水溶性的，或者是水可分散的即可。重均分子量可以在1000和1000000之間，但較好地是在1000和250000之間，而最好是在10000和100000之間。具有在1∶3和2∶5之間低COOH∶C比例的羧酸聚合物是優(yōu)先選用的。特別優(yōu)選的是羧基碳與聚合物鏈碳(包在介鏈碳)的比例大約是1∶3和分子量在10000和100000之間的羧酸聚合物。分子量在5000和15000000之間的部分水解聚丙烯酰胺是適宜的。共聚物一般含有2-99摩爾百分比的含酸單元，較好的是含有5-80摩爾百分比的，更好的是含有10-60的。
這種多羧酸成分可以是任何水溶性的或是水分散的羧酸聚合物，它將會形成離子交聯(lián)聚合物，形成聚合物的離子交聯(lián)聚合物是本領域熟知的。適宜的聚合物包括聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚乙基丙烯酸，聚反丁烯二酸，聚順丁烯二酸，聚亞甲基丁二酸以及共聚物，如乙烯/丙烯酸共聚物和乙烯/甲基丙烯酸共聚物。這些共聚物一般是無規(guī)共聚物。膦酸聚合物的一個例子是聚乙烯基膦酸，其是從乙烯基膦酸CH2＝CH-PO3H2而制得。
含有乙烯基膦酸的適宜的共聚物包括乙烯基膦酸/丙烯酸共聚物，以及和其他帶有或不帶官能團的不飽和單體的共聚物。
在某些情況下，最好使用水分散性聚合物以和水溶性的相對照。確實，在這些情況下，聚合物的熔點在“固井”操作期間應該比井眼中的安置溫度(循環(huán)溫度)要高，而低于周圍地層構造的最高及靜態(tài)溫度。井眼中作為溫度的安置由循環(huán)溫度上升到周圍地層構造的靜態(tài)溫度后，聚合物熔化并與金屬氧化物組分進行反應是理想的。
適用于本發(fā)明的離子交聯(lián)聚合物是接收質子金屬化合物的水溶性反應產(chǎn)物，它可用作膠結成分，以及羧酸，磺酸，或膦酸聚合物成分。金屬化合物通常是金屬氧化物，如CaO，MgO，或ZnO。優(yōu)選的金屬氧化物是氧化鎂和氧化鋅，最好的是氧化鎂?？墒褂玫慕饘傺趸镌谘心コ勺罱K大小的顆粒之前要在高于540℃溫度下灼燒幾個小時，以降低化學活性，以便用于同酸性組分發(fā)生反應。
在希望金屬化合物組分能增加鉆井液重量的情況下，金屬化合物最好是水不溶性的，其比重至少是3.0，最好是3.5?！安蝗苄浴笔侵冈谑覝叵?，100份重的冷水中只能溶解0.01份重量以下的物質。
所使用的聚合物的量可以依據(jù)聚合物中羧酸的含量在很大范圍內變化;一般地說，基于金屬化合物的重量，可以在10-200重量百分比的范圍內存在，較好的是在10-100之間，最好是在10-80之間，對于具有低m與n比值的聚合物，只需要較少量這種聚合物，因為這種聚合物中官能團含量高。相反地，對于具有高m與n比值的聚合物，最好使聚合物的量達到此范圍的上限。
按照本發(fā)明所使用的磷酸鹽和膦酸鹽，此處都被稱作磷鹽，也是用兩成分的組合物制得的，其中第一種成分是金屬化合物，其與上述離子交聯(lián)聚合物中所使用的范圍是一樣的，只要所生成的磷鹽不溶于水即可。最優(yōu)先選用的是CaO，MgO，和ZnO。
第二種成分是膦酸或磷酸，最好是多磷酸。這里說的“磷酸”包括直鏈的和環(huán)狀的多磷酸。這些第二成分的酸在此處被認為是磷的酸。直鏈磷酸可以用通式Hn+2PnO3n+1來描述，此處n是從1到100，較好的是從2到50，更好的是2到20。一些實例包括二(焦)磷酸，三(三聚)磷酸，四磷酸和更高分子量的多聚磷酸，以及磷酸。包括這些傳統(tǒng)中被稱叫偏磷酸的酸的混合物尤其適用于本發(fā)明。
使用金屬氧化物作為金屬化合物的一種磷酸粘結劑的結構可以表示如下
可溶性 微溶性M3(PO4)2·XH2O不溶性(水泥)其中X一般是4;
MO是金屬氧化物，其是兩性的，或是接收質子金屬化合物。
使用離子交聯(lián)聚合物以及用多價金屬化合物所制得的磷鹽，作為第二成分添加的結果，產(chǎn)生了交聯(lián)的網(wǎng)狀結構，因此得到非常強的固體粘結劑。
金屬化合物成分顆粒的大小可以在很大范圍內改變。一般地講，其顆粒大小可以處于這樣一個范圍，使得其表面積在1000cm2/g和30000cm2/g之間，較好的是在1500cm2/g和25000cm2/g之間，最好是在2000cm2/g和20000cm2/g之間。
磷酸一般是以化學計量的量或再少一些的量使用，因為通常要避免其過量，比化學計量少1-10，或者甚至少1-50摩爾百分比的量是適宜的。概括地講，以金屬化合物的重量為基準，化學計量的重量百分比將處于10-100之間。
由于離子交聯(lián)聚合物的金屬化合物成分，或者是多磷酸鹽規(guī)定了質量，這些粘結材料實際上一般是要比大多數(shù)礦渣或普通水泥材料重。在使用這些粘結材料的實施方案中，這種高密度在某些應用方面具有明顯的優(yōu)勢。首先，可以使用較少量的這種材料仍能獲得最終的鉆井液，而且最終能得到理想密度的粘結泥漿。其次，因為其密度高，有可能不用諸如硫酸鋇或重晶石之類的增重劑進行操作。它們還具有另外的優(yōu)越性，在加入第二成分之前它們不會凝固。
離子交聯(lián)聚合物或磷鹽的金屬化合物可以作為單獨的粘結材料使用，或者與含硅的水硬材料，例如高爐礦渣或普通水泥組成摻合劑使用。在一個實施方案中，可以使用一種水硬的成分，例如高爐礦渣，以得到離子交聯(lián)聚合物或磷酸鹽的金屬離子成份，實際上，可得到在現(xiàn)場所形成的混合物。
在采用離子交聯(lián)聚合物或磷鹽的時候，最好是首先加入金屬化合物，然后在一定的時間，當粘結劑正好被活化而凝固的時候，加入另一種成分。在通用鉆井液的情況下，可以向鉆井液中加入整個金屬化合物的一部分，當粘結泥漿正在形成的時候，將其余部分加入。
在本發(fā)明的這個實施方案中對于通用液的優(yōu)選順序是制備含有一部分要使用的整個爐渣或金屬化合物的鉆井液，進行鉆井操作，稀釋鉆井液，加入剩余部分的礦渣或金屬化合物，之后加入酸成分和為了予期的目的，例如加固套管而使用粘結劑。
一般地，使用過的通用鉆井液會被稀釋，而且要加入更多的粘接材料，以及在粘結泥漿形成的時候加入反應活性的第二成分。通常為了控制密度和最終的粘結泥漿的液流學特性而需要將鉆井液稀釋。根據(jù)所要求的應用情況，稀釋的量可以在很大范圍內變化。一般地，每體積的初始鉆井液要用水稀釋5-200%(在水基質液的情況下)，較好的是5-100%，更好的是5-50%。在一個特別優(yōu)選的實施方案中，稀釋到這樣程度，加上粘結成分(在適用液的情況下加上剩余的粘結成分)最終所得到的密度比原始密度低30%和高70%之間，較好的是在低15%和高25%之間，最好的是基本上相同，即變化不超過±5%重量比。在為防止井噴所需壓力和能使鉆井的地層發(fā)生破裂或破碎的壓力之間存在很小差別的情況下操作時，這一點具有特殊的價值。
稀釋劑與最初制造鉆井液用的液體可以相同或者不同。在含鹽的鉆井液的情況下，稀釋劑一般也是鹽水，這一點對在近海鉆井操作時特別有益，在近海淡水不是很容易就能得到，而海水卻很豐富。
最好利用向用過的鉆井液流體中加入稀釋液而后再加入另外成分的方法“飛散”進行稀釋。
在某些情況下，順序結合各種成分進入到鉆井液中是合乎需要的。例如，用礦渣作為粘結組分，最好是導入和混合稀釋劑和/或延遲劑和活化劑，并且在其后導入礦渣，如果在鉆井液中使用混合的金屬氫氧化物以賦與其搖溶性質，那么這一順序就尤其要配準?；旌系慕饘贇溲趸锟商峁└玫墓腆w懸浮性。同本發(fā)明的技術中所得到的可凝固的泥餅結合在一起，這將在有限的環(huán)形空間內極大地增強粘結力。這種混合的金屬氫氧化物在含有泥土，例如鈉皂土的鉆井液中尤其有效。用這種方法增稠的優(yōu)選系統(tǒng)包含3-57kg/m3的泥土，如皂土，較好的是6-43kg/m3，最好是20-34kg/m3?；旌系慕饘贇溲趸镆话愦嬖诘牧渴倾@井液總量的0.3和6kg/m3之間，較好的是0.3和4kg/m3之間，最好是在2和4kg/m3之間?；旌系慕饘贇溲趸锸潜绢I域公知的，而且是含三價金屬氫氧化物的組合物，例如MgAl(OH)4.7Cl0.3。它們基本上符合分子式LimDdT(OH)(m+2d+3+na)Ana這里m表示存在的Li離子的數(shù)目;其數(shù)值在0和大約1之間;
D代表二價金屬離子;
d表示D離子的數(shù)量，在0和大約4之間;
T表示三價金屬離子;
A代表除OH-以外的一價和n價的多價的陰離子，a為A′陰離子量;
且(m+2d+3+na)等于或大于3。
可以在美國4 664 843號專利說明書中找到更為詳細的描述。鉆井液中混合的金屬氫氧化物與高爐礦渣相結合可以在比較短的時間內凝固成具有相當強度的粘結劑，即在低至38℃溫度時大約需要半個小時。這在某些應用當中可能是非常有價值的。在這些情況中，在加入礦渣之前優(yōu)先加入諸如磺化油之類的稀釋劑，然而，本發(fā)明的優(yōu)點之一是減少或消除了為控制游離態(tài)水或固體懸浮而對添加劑的需求?？梢栽诩尤肓硗獾母郀t礦渣之前或之后，加入一種或多種活化劑。
在某些情況下，希望能使用一種材料，與活化劑一起發(fā)揮特殊作用，即便它也可能是一種緩凝劑。例如，盡管木素磺酸鉻也具有緩凝作用，但它們可與活化劑一起用作稀釋劑。
其他適用的稀釋劑包括無鉻木素磺酸鹽，褐煤，磺化褐煤，磺化苯乙烯順丁烯二酸酐，磺甲基化腐殖酸，磺酸萘，聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的混合物，丙烯酰胺丙烯酸共聚物，苯酚磺酸酯，十二烷基苯磺酸酯，以及這些物質的混合物。
在使用高爐礦渣的情況下，通用液中所存在的礦渣的量一般在最終鉆井液的3和300kg/m3之間，較好的是30和240kg/m3之間，最好是在60和150kg/m3之間。在使用有機金屬(離子交聯(lián)聚合物)或磷鹽的時候，開始時存在于通用液中的金屬化合物的量也可以很大范圍內變化。一般所使用的金屬化合物的范圍在3和1450kg/m3之間，較好的是在145和860kg/m3之間，最好是在290和715kg/m3之間。
粘結材料在粘結泥漿中的總量一般是處在大約60和1700kg/m3之間，較好的是290和1450kg/m3之間，最好是在450和1000kg/m3之間。
本文涉及的添加劑包括本發(fā)明所必須的兩種特殊化的添加劑，如在使用離子交聯(lián)聚合物時的羧酸聚合物，或在使用多聚磷酸鹽時的多聚磷酸，還包括傳統(tǒng)的添加劑。
所能使用的傳統(tǒng)添加劑包括促凝劑，緩凝劑，以及其他已知的粘結材料的成分。
鉆井液中可以存在的其他添加劑包括低的和中等流動性的粘土，羧甲基纖維素，聚丙烯腈，天然樹膠，分子態(tài)的無水磷酸鹽，單寧酸化合物，白雀樹，礦物褐煤，寬限的木素磺酸鹽，云母，甘蔗纖維和粒狀材料。與混合金屬氫氧化物相結合而能發(fā)揮有益作用的材料除皂土以外，還有無定形的和結晶態(tài)的粘土，例如高嶺土，多水高嶺土，綠土，蒙脫土，伊利石，saconite，蛭石，綠泥石，坡縷石，海泡石，蒙德土有效成分和Fuller土。
在本發(fā)明的另一個相關的實施方案中，在鉆井操作中使用通用液，然后逐步加入另外的粘結材料和/或添加劑，或者二成分系統(tǒng)中的第二種成分，如此逐步改變由鉆井液到粘結泥漿的循環(huán)材料。
在本發(fā)明的另外一個實施方案中，采用通用液用上面所描述的方法進行鉆井以建造一個穿過復雜地層的井眼，從而沉積出泥餅。在固化操作以前，通入一種活化劑或者具有反應活性的第二種成分，使其和泥餅接觸，例如，可以將活化劑或具反應活性的第二成分沿鉆桿向下并沿鉆桿與泥餅之間的環(huán)形空間向上流動，或者將鉆桿取出，插入套管，使活化劑通過套管向下而后沿環(huán)形空間向上流動。此處所使用的“向下”這個詞，當它與鉆桿或套管相關時是指向井眼最遠區(qū)域的方向，盡管在極少情況下，井眼可以被設置在水平位置上。與此相似，所謂“向上”是指反向井眼開始端的方向。更可取地，是用鉆桿進行循環(huán)，這一點是本發(fā)明的這一實施方案的有益之處，借此泥餅可以“凝固”以切斷氣體地帶，水損失，或切斷損失的循環(huán)流體，以便在不需要取出鉆桿和安置另外的套管的情況下使鉆井繼續(xù)進行。這一點還要以被用來穩(wěn)定那些可能很容易被沖洗掉的地帶(例如鹽層，這里鹽在水中是可溶性的)，或者其他不穩(wěn)定的地帶。在鉆探完成以后，取出鉆桿，并且按照本發(fā)明上面所描述的方法進行加固，這項工作可以利用循環(huán)含有活化劑的單獨的液體或者通過添加諸如上面所描述的堿類物質到鉆井液中的方法來完成。
在上述的順序中可以使用傳統(tǒng)的隔離液。另外，其中含活化劑的液體上部的任何剩余物都可以被下一個液體和/或隔離液從井眼中置換出來，并被貯存以便隨后使用，或者被處理。
在這個泥餅是“凝固”的實施方案中，活化劑可以是上面所說的堿類活性劑中的任何一種，例如氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物就可在通用液中含有礦渣的時候使用。具有反應活性的第二成分在通用液中含有接受質子金屬化合物時是一個帶有諸如上述的羧基類官能團的聚合物，或者在通用液含有接收質子金屬化合物時是磷酸鹽或膦酸鹽的磷酸或膦酸成分。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，使用含金屬化合物的鉆井液進行鉆探，以便能沉積出泥餅，這種泥餅最好是同反應性的第二成分按上面所描述的方式凝固，而后用包括高爐礦渣，水和促凝劑的粘結泥漿進行加固。
另外，在這個實施方案中還可以使用如上所述的高爐礦渣作為金屬化合物來源，這樣，離子交聯(lián)聚合物或磷酸鹽可以形成泥餅，而后用高爐礦渣加固。
正如下例范例所示，本發(fā)明在加固大套管和襯管時具有特殊的價值?！按蟆笔侵?0-75cm，一般是41cm或更大一點的外徑。
現(xiàn)在將參考下面的實施對本發(fā)明進行更詳細的說明。
為了說明已知的鉆井和固井的方法，在鉆好的井眼中安裝8根41cm的套管，所用的傳統(tǒng)鉆井液包含下列成分10-20重量百分比的鹽，20-30kg/m3的皂土，11-18kg/m3的羧甲基淀粉(液體損失阻止劑)，其由Milpark以“BIOLOSE”的商品名出售的，1.4-2.8kg/m3作為地層穩(wěn)定劑的部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)，其由Milpark以“NEWDRIL”的商品名出售的，2.8-3.5kg/m3CMC，其由Milpark以“MILPAC”的商品名出售的，86-200kg/m3的鉆屑，和0-715kg/m3的重晶石。
鉆井液用1960kg/m3H級的波特蘭粘結泥漿所置換。粘結泥漿以圖1所示的方式沿套管壓下，這里使用了壓塞，而后加入另外的鉆井液(與圖1有所不同，在圖1中描述的是襯管的加固，而沒有按照本發(fā)明的這些實例包括套管的加固)。所有8根套管都沒能承受標準的13.8MPa(表壓)的壓力實驗，表明具有較差的加固作用，這可能提示人們，靠在吊環(huán)上的壓塞密封已經(jīng)損壞，并且一部分添加的鉆井液可能通過密封同環(huán)形空間內的粘結泥漿混合。
實例1在測試本發(fā)明的實驗中，一根與對照實驗所描述的相同的41cm套管被安裝在帶有相同的鉆井液的鉆好的井眼中。將在鉆井過程中所使用的帶有高爐礦渣活化劑的鉆井液與添加劑結合而制得粘結泥漿。準備兩份單獨的試料，一份用于頂部的加固，一份用于尾部，每個樣品都在其使用以前取出，以便測定粘結泥漿的性質以及采用井眼底部予期的溫度對從每個樣品中所制得的測試樣進行壓力強度檢測。
鉆井液的體積是指對于每m3的最終粘結泥漿的鉆井液的m3數(shù)，而其他成份是用每(立方米)m3的最終粘結泥漿中的kg數(shù)來表示。下面將這些成份列出。
表1.實例1中所用液體組成的數(shù)據(jù)礦渣-混合型 頭部 尾部膠結泥漿密度,kg/m31617 1833泥漿密度,kg/m31341 1341泥漿體積,m3/m3粘泥 0.81 0.08
SPERCENE CF1,kg/m3粘泥 2.3 …UNICAL CF2,kg/m3粘泥 … 7.1NaOH,kg/m3粘泥 14 14Na2CO3,kg/m3粘泥 28 14NEWCEM3,kg/m3粘泥 485 856液流學性(21℃)塑性粘度,mPa.S 19 75屈服點,Pa 1.4 1110秒凝膠強度,Pa 1.4 9.610分凝膠強度,Pa 6.7 34底孔靜態(tài)溫度,℃ 38 41抗壓強度,MPa 13 361.“SPERCENE CF”是木素磺酸鉻的M-I鉆井液商品名稱。
2.“UNICAL CF”是Milchem的無鉻木素磺酸鹽的商品名稱。
3.“NEWCEM”是從Blue Circle Cement公司得到的比表面大約是5500的研磨高爐礦渣。
高爐礦渣加固頭部粘結劑被導入套管以置換鉆井液，在頭部粘結劑之后加入尾部粘結劑，以便在套管托周圍形成高強度的粘結。如圖2所示，通過采用已測體積的鉆井液與粘結劑柱頂部直接接觸的方法使尾部粘結劑沿套管向下移動。對套管進行同樣標準的13.8MPa(表壓)的壓力測試，并獲得通過。
這表明按照本發(fā)明的技術采用直接液體接觸的方法通過去掉了壓塞不僅能使程序簡化，而且還能得到更好的結果。
在基本相同的條件下進行了另兩次實驗，亦取得了同樣滿意的結果。
權利要求
1.一種鉆井和固井的方法，包括使用鉆井液鉆探一個井眼，這樣會產(chǎn)生用過的鉆井液；將包括水、高爐礦渣和活化劑的成分合并以制造膠結泥漿；在井眼中安裝管子；使膠結料漿向下通過管子；以及通過與置換液直接接觸的方法使膠結料漿劑向上進入管子周圍的環(huán)形空間。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中膠結料漿中的水含有可溶性鹽。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中膠結料漿中的水是海水。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中活化劑是從下列物質中選出的硅酸鈉、氟化鈉、硅氟化鈉、硅氟化鎂、氫氧化鎂、氧化鎂、硅氟化鋅、氧化鋅、碳酸鋅、碳酸鈦、碳酸鈉、硫酸鉀、硝酸鉀、亞硝酸鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸銅、氫氧化鋰、碳酸鋰、氧化鈣、硝酸鈣、亞硝酸鈣、氫氧化鈣、硫酸鈉以及它們的混合物。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中5-25重量百分數(shù)的高爐礦渣是超細顆粒。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中鉆井液含有海水，活化劑是氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物，而且其中5-25重量百分數(shù)的高爐礦渣是超細顆粒。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中采用將使用過的鉆井液與高爐礦渣復合的方法制造的膠結料漿，其中的活化劑是氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物，膠結料漿含有400-1000kg/m3的膠結材料，以及其中管子的直徑是40cm或更大。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中的置換液包括海水。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中的管子是套管，環(huán)形區(qū)是套管和井眼之間的環(huán)形空間。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中的管子是襯管，環(huán)形空間是襯管與套管之間的空間。
11.一種鉆井和固井的方法，它包括將具有2000和15000cm2/g之間顆粒的高爐礦渣和水質鉆井液進行合并，所存在的高爐礦渣的量在鉆井液與高爐礦渣總和的2.8和280kg/m3之間;在進行鉆井操作以形成井眼的過程中使用鉆井液而產(chǎn)生了用過的鉆井液;將另外的高爐礦渣和活化劑與用過的鉆井液進行合并以制造膠結料漿;在井眼中安裝管子;使膠結料漿向下通過管子;以及用置換液通過直接接觸的方式使膠結料漿向上移動進入管子周圍的環(huán)形空間。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中的活化劑是氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物，而且其中的置換液包括海水。
13.一種鉆井和固井的方法，它包括將包括水和金屬化合物質子接受成分的配料進行合并以制造鉆井液;在進行鉆井操作以形成井眼的過程中使用鉆井液，因而產(chǎn)生了用過的鉆井液并沉積出泥餅;將具有反應活性的第二成分與泥餅接觸;在沉積出濾餅以后在井眼內安裝管子;使膠結料漿向下通過管子;以及用置換液通過直接接觸的方法使膠結料漿向上移動進入管子周圍的環(huán)形空間。
14.根據(jù)權利要求13的方法，其中的接收質子金屬化合物是一種金屬氧化物。
15.根據(jù)權利要求13的方法，其中接收質子金屬化合物是氧化鎂。
16.根據(jù)權利要求13的方法，其中接收質子金屬化合物是由高爐礦渣提供的。
17.根據(jù)權利要求13的方法，其中具有反應活性的第二成分是從下面物質中選出的磷酸，膦酸，多磷酸和一種聚合物，其分子式為
其中A是羧基，硫酸，磷酸，或者是羧基和酰胺基團的混合物，而且此處R是H或者是含有1-10個碳原子的烷基。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其中具有反應活性的第二成分是聚丙烯酸。
19.根據(jù)權利要求13的方法，其中膠結料漿包括高爐礦渣和水。
20.根據(jù)權利要求13的方法，其中將一部分用過的鉆井液與另外的接收質子金屬氧化物和另外的反應性的第二成分進行合并來制造膠結料漿。
全文摘要
使用傳統(tǒng)鉆井液或含有膠結成分的鉆井液鉆出井眼，其中的膠接成分可以從高爐礦渣，離子交聯(lián)聚合物的金屬氧化物成分或者磷酸鹽的金屬氧化物成分中選出。然后含有高爐礦渣和活化劑系統(tǒng)的相容的加固粘接劑被注入井眼，并且用置換液采用直接接觸的方法使粘結劑向上移動進入環(huán)形空間。一般地，在使用含礦渣的鉆井液的情況下通過向用過的鉆井液中加入另外的高爐礦渣和諸如氫氧化鈉和碳酸鈉混合物這樣的活性劑的方法來制造膠結料漿。
文檔編號C04B7/153GK1086576SQ9311917
公開日1994年5月11日 申請日期1993年10月21日 優(yōu)先權日1992年10月22日
發(fā)明者J·J·W·納牧, K·扎萬馬迪 申請人:國際殼牌研究有限公司