專利名稱：導電的非水井眼流體的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及非水井眼流體，更具體地說涉及導電的井眼流體。本發(fā)明也涉及使用所述井眼流體用于鉆或完成地下井，例如油和氣井。
在旋轉(zhuǎn)鉆井的過程中，鉆井流體或泥漿是循環(huán)的，沿旋轉(zhuǎn)鉆管下降，通過鉆頭，沿管與巖層或鑄鋼件間的環(huán)形空間上來，到達地面。鉆井流體起到幾個作用。它把鉆下來的泥砂從井眼的底部帶到地面，在循環(huán)中斷時懸浮泥砂和較重的物質(zhì)，控制地下的壓力，通過提供足夠的靜水壓力防止巖層流體進入井眼來隔離巖層流體，冷卻和潤滑鉆井套管和鉆頭，增大鉆入速度，等等。鉆井的一個重要目標是在待鉆入的巖層類型及巖層中流體和氣體的類型中保證最多數(shù)量的巖層。通過分析鉆下的泥砂、電子測井技術(shù)以及通過使用井下測井技術(shù)，包括電子測量，可以獲得這些信息。
很多種由各種固體、液體和氣體組成的流體能達到所需的功能，按照連續(xù)相的組成主要分成兩組含水(水基的)鉆井流體和非水(礦物油或合成物基的)鉆井流體，后者通常稱為“油基流體”。
水基流體是最常用的鉆井流體類型。水相由淡水制成，或者更常見的由鹽水制成。至于非連續(xù)相，可以包括氣體，與水不能混合的流體如柴油形成水包油的乳液，以及固體包括粘土和較重材料如重晶石。通過加入粘土礦物、聚合物和表面活性劑通常能控制它們的性質(zhì)。
在鉆水敏感區(qū)時，例如反應頁巖、生產(chǎn)巖層或者井底溫度條件惡劣或者腐蝕是主要問題，優(yōu)選油基鉆井流體。連續(xù)相是礦物或合成油并通常含有水或鹽水作為非連續(xù)相，形成油包水的乳液或轉(zhuǎn)化乳液。固體相基本與水基流體相似，這些流體也含有幾種添加劑用于控制密度、流變性和流體損失。在一種或多種特殊選擇的乳化劑作用下形成并穩(wěn)定轉(zhuǎn)化乳液。
盡管油基鉆井流體比水基泥漿貴，但油基流體具有額外的工作優(yōu)點和更高的技術(shù)性能，因此常用于鉆井工作中。
因為油基泥漿的電導率非常低，油基泥漿技術(shù)上存在缺點的領域是在電子測井中。在鉆井工作中，要進行各種測井和成像工作，例如當在油/氣井貯藏區(qū)鉆井以確定巖層和那里的材料類型時。這些信息用于定位最佳的生產(chǎn)區(qū)，即在貯藏處的什么位置打井能使碳氫化合物流入井眼中。
有些測井工具的工作是基于井眼中的流體(鉆井流體)與巖層中存在流體的電阻率的對比，這些被稱為電阻率測井工具。簡單地說，通過兩電極間巖層的電流改變。這樣，在電流通道上的流體是巖層流體和通過過濾滲透過巖層的流體。濾餅和濾液是從泥漿在壓差下通過可滲透介質(zhì)(例如巖層石塊)獲得的。
流體導電性在鉆井工作中起重要作用的另一個實例是定向鉆井，其中鉆井設備產(chǎn)生的信號必須通過導電介質(zhì)傳送到控制單元和/或泥漿遙測單元，再返回到鉆井套管。
目前，電阻率測井工具的使用主要局限在使用水基鉆井流體進行鉆井工作的情況(在油/合成物基泥漿中油基非常低的電導率排除了在這樣的流體中使用電阻率工具)。盡管分散在油相中的鹽水是導電的，但液滴的非連續(xù)性阻止了電流的流動。實際上，這些乳液的不導電能力(直到施加非常高的電勢差)可用作乳液穩(wěn)定性的標準測試。達到這樣的程度，應該記得住油基的導電性范圍通常是在1kHz的頻率下10-6～5×10-2μS·m-1，而對于電子測井工作來說，希望電導率不低于10μS·m-1，優(yōu)選的不低于103μS·m-1。因此需要把流體電導率的數(shù)量級增大104到107。
為了滿足電子測井的目的，使油基鉆井流體導電性增加的報導已有幾個，但其中沒有一個獲得商業(yè)化。美國專利2542020，2552775，2573961，2696468和2739120，都授權(quán)給費歇爾(Fischer)，給出了脂肪酸鹽穩(wěn)定的油基流體，含有溶入了10％(重量百分數(shù))水的堿土金屬堿。費歇爾(Fischer)的權(quán)利要求中把電阻率降低到低于500Ω·m，相應地電導率增大到κ＞2000μS·m-1。但是，那些流體對污染非常敏感，并且大量的水導致的流體損失增大到不能接受的程度。實際上，這些流體依靠殘余的或外加的水量以溶解鹽/表面活性劑。并且，連續(xù)的油相沒有顯示出對電導率有任何增加，也沒有說明在最佳條件下基本由連續(xù)油相組成的流體發(fā)生過濾。
25年后，美國專利4012329給出了加有鈉石油磺酸鹽的外部油微乳液，報導的電阻率小于1Ω·m(κ＞1S·m-1)。在這樣的微乳液中，鈉石油磺酸鹽形成含有水和粘土的微團，因此粘土必須作為分散劑加入水中，而不能以干粉的形式加入。還需要強調(diào)的是，微乳液與標準的乳液有明顯的不同熱力學穩(wěn)定、尺寸小、高的表面積與體積比，并能形成過濾層和不同性質(zhì)的流體濾液。獲得所需的體積性質(zhì)和無損巖石相互作用的結(jié)合比標準定向或轉(zhuǎn)化乳液流體更難，鉆油井時一般不選擇這種流體。
盡管先前的工藝中含有使油基鉆井流體導電的配方，但所描述的方法對其它泥漿性質(zhì)有反作用，這也是另一個未獲得成功商業(yè)化的原因。
因此，本發(fā)明的目的是提供具有高電導率的非水溶液井眼流體。
當以足量混入制品時，碳黑可賦予絕緣材料例如塑料或橡膠電導率是公知的。非常小的碳黑顆粒(＜＜1微米)形成的相互連接的網(wǎng)絡可以導電也是公知的。因此，這種制品能，例如，避免靜電積累或屏蔽電磁場干擾。
但是，當碳黑加入到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化乳液油基鉆井流體或泥漿(下文記為OBM)，電導率不增加或增加非常小。
更具體地，還發(fā)現(xiàn)脂肪酸，例如高油脂肪酸的鈣皂將與碳黑顆粒的網(wǎng)絡相互作用，通過吸附在顆粒上降低顆粒與顆粒間的吸收力。相似地，發(fā)現(xiàn)具有一、二、三級胺基團或季銨基團的轉(zhuǎn)化乳液或潤濕劑能同樣地吸附并破壞碳黑顆粒的導電網(wǎng)絡。這種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，脂肪烷基酰胺基胺與二或三元酸如馬來酸的進一步的反應或交聯(lián)。在申請人已知的所有轉(zhuǎn)化乳液鉆井流體中，這種脂肪酸鈣皂和胺官能的制品是很常用的。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，當把碳黑混入含有某些類型的乳化劑和油潤濕劑的OBM中時，能在很低的碳黑濃度下得到高水平的電導率。
令人吃驚的是，發(fā)現(xiàn)盡管碳黑有非常大的表面積和吸附能力，某些類型的轉(zhuǎn)化乳液和油潤濕劑不能破壞導電的碳黑網(wǎng)絡。
按照本發(fā)明，導電的轉(zhuǎn)化乳液井眼流體含有約0.2～10％(體積百分數(shù))的碳黑顆粒和一種或多種從下面組中選取的乳化表面活性劑親水性—親脂性平衡(HLB)小于約12的非離子乳化劑和陰離子表面活性劑，陰離子表面活性劑中的反離子(陽離子)是堿金屬、銨或氫離子中的任一種。
具有適于促進轉(zhuǎn)化乳液的親水性—親脂性平衡(HLB)的所有非離子表面活性劑不破壞導電性。這包括基于碳原子數(shù)多于12個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環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷嵌段聚合物。一般地，比較適合的HLB值小于10，但有時與其它乳化劑結(jié)合時，達到最大值12的較高HLB值是有用的。
其它適合的表面活性劑種類是具有足夠親脂性的陰離子表面活性劑，其中陰離子表面活性劑是堿金屬皂、銨皂或者是自由酸。多價金屬離子(例如鈣)皂的陰離子表面活性劑不包括在內(nèi)，因為它們通過多價陽離子的離子橋接吸附破壞碳黑顆粒的導電網(wǎng)絡。最優(yōu)選的陰離子表面活性劑是磺酸鹽，例如鏈烷磺酸鹽，α-烯烴磺酸鹽，烷基芳基磺酸鹽，聚烯烴磺酸鹽和?；；撬猁}，所有這些物質(zhì)的特征是親水性部分的碳數(shù)目最少約12個。
其它適合的陰離子乳化劑或潤濕劑包括堿金屬或銨鹽，或者碳原子數(shù)為12個或更多的脂肪酸的自由酸，12個或更多的碳原子的乙氧基化醇的磷酸酯，14個或更多的碳原子的乙氧基化烷基酚的磷酸酯，以及烷基氨基亞甲基膦酸酯，其中烷基胺前體含有12個或更多的碳原子。
根據(jù)井眼流體的總重，優(yōu)選的乳化劑的總加入量為0.5～10％。
本發(fā)明優(yōu)選的碳黑與傳統(tǒng)的碳黑比具有相當高的比表面積(最小500平方米/克)。非常適合的比表面積級別約為1500平方米/克，而傳統(tǒng)的碳黑為100～300平方米/克。這使得碳黑顆粒有相當高的能力形成相互連接的顆粒網(wǎng)絡，產(chǎn)生觸變流變效應和導電性的明顯增大。
本發(fā)明最重要的性質(zhì)是流體的電導率增大了104～107數(shù)量級。這使得在井眼充滿有機液體基井眼流體時，能成功應用很多電子測井技術(shù)和電子遙測信號的傳輸。因此本發(fā)明的另一目標是從電子測井工具，邊測量邊鉆井(MWD)、邊測井邊鉆井(LWD)、地質(zhì)導向等等，提供強化信息的方法，其中使用本發(fā)明改進了電導率的井眼流體強化了效率。
本發(fā)明中的導電油基鉆井流體與已有的油基(或合成有機液體基)鉆井流體比具有性能優(yōu)勢。因此，本發(fā)明的流體把對鉆進的巖石層的不利作用減小到最低程度，例如粘土層的膨脹和分散，井眼塌方，或不希望有的地下鹽層的溶解。與已有的油基流體比，本發(fā)明流體還具有以下優(yōu)勢增強了潤滑性，減小了鉆管的差分粘性和高溫下的高穩(wěn)定性。
按照本發(fā)明優(yōu)選的實施例，井眼流體還含有能夠沉淀或絡合多價金屬陽離子的物質(zhì)，多價金屬陽離子如鈣離子、鎂離子和鐵離子，它們能污染井眼流體。這樣可以阻止金屬陽離子與乳化劑形成皂而吸附在碳黑顆粒的表面并破壞導電網(wǎng)絡。
沉淀物質(zhì)的例子是溶解的陰離子，例如磷酸根，碳酸根或硅酸根。適合的絡合劑例子是檸檬酸、葡糖酸、葡庚糖酸、抗壞血酸、異抗壞血酸、亞硝基三乙酸、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、1，1-羥亞乙基二膦酸、亞硝基三亞甲基膦酸的堿金屬或銨的鹽或者其自由酸，基于乙二胺或二乙三胺或高亞乙胺的氨亞甲基膦酸酯和縮聚磷酸鹽如焦磷酸四鈉。
連續(xù)的非水相可以從任何精煉的或合成的流體中選擇，這些流體是已知適于用作井眼流體基礎液體的，例如天然油，來自天然油的碳氫化合物精煉成分如柴油或礦物油，合成碳氫化合物如正鏈烷烴，α-烯烴，中間烯烴和聚α烯烴；合成流體如二烷基醚，鏈烷酸烷基酯，縮醛；和天然油如甘油三酸酯包括油菜籽油、葵花籽油和它們的混合物。低毒和高生物降解的油對于海上鉆井一般是特別優(yōu)選的。
非連續(xù)液相是水或鹽水，其含量約占乳液的0.5～70％(體積百分數(shù))。
為了提供井眼流體所需的其它性質(zhì)，本發(fā)明井眼流體還包括任何公知的井眼流體添加劑，例如粘土，有機粘土，或者聚合粘化劑，滲透減速劑如褐煤衍生物或粉狀硬瀝青滲透減速劑，瀝青，瀝青巖或油膨脹的聚合物，加重劑如細小的重晶石或赤鐵礦粉，潤滑劑，或者任何其它本領域熟知人員公知的功能性添加劑。使用這些添加劑可以提供具有以下特性的鉆井泥漿●是流體并在地面管道與鉆井套管之間產(chǎn)生能承受的壓降●具有適于支撐/傳輸泥漿固體和鉆井泥砂的屈服應力●化學、熱和機械作用下穩(wěn)定●提供井眼穩(wěn)定性●提供好的潤滑性●防止過量的流體損失到巖層中下面通過實施例描述本發(fā)明。
制備了一種分散有1.5％(重量百分數(shù))碳黑的礦物油。碳黑顆粒形成不規(guī)則形狀的團塊，此團塊是非常細小的碳黑顆粒聚集在一起形成的。
團塊的尺寸為10～250nm，但較大的團塊可以通過機械剪切減小尺寸。室溫下油—碳黑分散體的電導率在500Hz下約20000μS/m。
表1 具有傳統(tǒng)脂肪酸轉(zhuǎn)化乳液的重泥漿配方油/水比80/20
完全泥漿配方的電導率降低到500Hz下的15μS/m。結(jié)果表明，高油脂肪酸乳化劑傳統(tǒng)皂(在幾乎所有傳統(tǒng)油基泥漿配方中使用的)不能形成碳黑顆粒的導電網(wǎng)絡。這是由于鈣中和乳化劑對碳黑顆粒的強吸附，阻止了顆粒與顆粒之間形成網(wǎng)絡的相互作用。
表2 重的導電OBM的配方油/水比80/20
上述配方的電導率在完全泥漿配方中在500Hz下是10000μS/m?？梢钥闯?，此乳化劑類型能使碳黑導電網(wǎng)絡(相應的，電導率)得到維持，同時具有好的乳液穩(wěn)定性，即使是在重流體中也是如此，在重流體中重晶石對導電網(wǎng)絡具有稀釋作用，并一定程度上降低電導率。配方中α-烯烴磺酸鹽的功能是改善重晶石的油潤濕性。
權(quán)利要求
1.一種導電的轉(zhuǎn)化乳液井眼流體，含有1)約0.2～10％體積百分數(shù)的碳黑顆粒；和2)從下面選擇的一種或多種乳化表面活性劑親水性—親脂性平衡(HLB)小于約12的非離子乳化劑，以及陰離子表面活性劑，其中的反離子(陽離子)是堿金屬、銨或氫離子中的任一種。
2.如權(quán)利要求1所述的井眼流體，其中碳黑顆粒的比表面積至少為500平方米/克，優(yōu)選至少為1500平方米/克。
3.如上述權(quán)利要求任一項所述的井眼流體，其中非離子乳化劑從下面的組中選擇基于碳原子數(shù)多于12個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環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷嵌段聚合物。
4.如上述權(quán)利要求任一項所述的井眼流體，其中陰離子表面活性劑從下面的組中選擇鏈烷磺酸鹽、α-烯烴磺酸鹽、烷基芳基磺酸鹽、聚烯烴磺酸鹽和?；；撬猁}，所有這些物質(zhì)的特征是親水性部分的碳數(shù)目至少約12個，反離子(陽離子)是堿金屬、銨或氫離子中的任一種。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的井眼流體，其中陰離子表面活性劑從下面的組中選擇有12個或更多的碳原子的脂肪酸、12個或更多的碳原子的乙氧基化醇的磷酸酯、14個或更多的碳原子的乙氧基化烷基酚的磷酸酯、以及烷基氨基亞甲基膦酸酯，其中烷基胺前體含有12個或更多的碳原子，所有這些物質(zhì)的特征是反離子(陽離子)是堿金屬、銨或氫離子中的任一種。
6.如上述權(quán)利要求任一項所述的井眼流體，其中乳化劑的總加入量為0.5～10％重量百分數(shù)。
7.如上述權(quán)利要求任一項所述的井眼流體，還含有任何能沉淀或絡合多價金屬陽離子如鈣、鎂和鐵離子的物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求8所述的井眼流體，其中乳化的鹽水相含有溶解的陰離子，例如磷酸根、碳酸根、硅酸根，這些陰離子將與鈣、鎂或鐵的任何的陽離子形成不溶解的沉淀。
9.如權(quán)利要求8所述的井眼流體，其中絡合劑從下面的組中選擇檸檬酸、葡糖酸、葡庚糖酸、抗壞血酸、異抗壞血酸、亞硝基三乙酸、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、1，1-羥亞乙基二膦酸、亞硝基三亞甲基膦酸的堿金屬或銨的鹽或者其自由酸，基于乙二胺或二乙三胺或高亞乙胺的氨亞甲基膦酸酯和縮聚磷酸鹽如焦磷酸四鈉。
10.一種鉆井或完成井的方法，其中所用的井眼流體是如上述任一權(quán)利要求所述的流體。
11.一種從電子測井工具、邊測量邊鉆井(MWD)、邊測井邊鉆井(LWD)、地質(zhì)導向等等，提供強化信息的方法，其中使用任一種如權(quán)利要求1-9所述的改進了電導率的井眼流體強化效率。
全文摘要
一種含有非水連續(xù)液相的井眼流體,其電導率比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化乳液增大了10
文檔編號C09K8/36GK1336951SQ00802827
公開日2002年2月20日 申請日期2000年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月16日
發(fā)明者克里斯托弗·索登, 穆斯塔法·特拉尼, 保羅·克拉多克, 安東尼·勞森 申請人:索菲泰克公司