專利名稱：鉆進液和在含煤地層中鉆進的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鉆進和完成油井所使用的方法和液體。
背景技術：
在土地上鉆孔以提取自然資源的方法需要一種液體以除去源自井眼的巖屑、潤滑并冷卻鉆頭、控制地層壓力并保持孔的穩(wěn)定性。許多地層包含煤層，必須穿過所述煤層鉆井眼以接近煤本身或接近煤下方的有益儲集層。對于煤床甲烷(CBM)井，若煤層的滲透性比常規(guī)儲集層低，則地層損傷最小化是最重要的。已經開發(fā)了一種液體，所述液體通過限制對夾層(cleat)和斷層(fracture)的侵入來降低地層損傷并減少整個泥漿漏失，且易于回流，本文中稱之為混合金屬增稠的鉆進液。這種鉆進液包括混合金屬增稠劑，所述混合金屬增稠劑為基于鎂/鋁的氧化物和/或氫氧化物的無機粒子。其通常是已知的混合金屬氫氧化物且有時稱作混合金屬氧化物(MMO)、混合金屬氫氧化物(MMH)和混合金屬氧化物和氫氧化物的組合(MMOH)。混合金屬增稠劑是如下經驗式的混合金屬層狀氫氧化物化合物:LimDdT (OH) (m+2d+3+na)Aan，
其中m代表存在的Li離子數(優(yōu)選0)；D代表二價金屬離子如Mg、Ca、Ba、Sr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn,最優(yōu)選Mg,或其混合物；d是式中D離子的數目，優(yōu)選0 約4，最優(yōu)選約I ;T代表三價金屬離子且可以為Al、Ga、Cr或Fe,優(yōu)選Al ；A代表OH離子之外的單價或多價陰離子且可以為無機離子如:鹵離子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、碳酸根，最優(yōu)選齒離子、硫酸根、磷酸根或碳酸根，或其可以為親水性有機離子如乙醇酸根、木質磺酸根、聚羧酸根或聚丙烯酸根；a為式中A離子的數目；n為A的化合價；且(m+2d+3+na)等于或大于 3。尤其優(yōu)選的是式Al/Mg(0H)4.7Cla3的混合金屬氫氧化物?；旌辖饘僭龀淼你@進液包括至少一種混合金屬組分和一定量膨潤土的水基混合物?；旌辖饘僭龀淼你@進液的流變性因粘度高而限制了液體侵入地層中，但是主要的地層保護來自于形成了易于除去的外部濾餅。用水或鹽水進行簡單置換就足以對井進行回填并除去所述濾餅。然而不幸的是，混合金屬增稠的鉆進液的流變性在其與產生自對煤層、尤其是近代煤進行鉆進時所產生的煤粉相接觸時會失效。當鉆進液與因鉆通煤層而產生的煤粉相接觸時，液體變稀，向水的流變性移動，因此損失了許多其有益性能。事實上，由于認為煤層通常是損失區(qū)域地層(loss zone formation)，微弱且易碎，因此混合金屬增稠的鉆進液不適用于在含煤地層中鉆進成為棘手的問題。在2008年9月12日公布的W02008/106786中，本申請人提出，在煤污染物存在的條件下鉆進時使用鉀鹽以基本保持混合金屬增稠的鉆進液的流變性，所述鉀鹽包括例如硫酸鉀、氯化鉀、醋酸鉀和甲酸鉀中的一種或多種。發(fā)明概述根據本發(fā)明的一個廣泛方面(broad aspect)，提供在含煤地層中鉆進的方法，所述方法包括:提供包括至少0.05%(w/v)硫酸鈣的混合金屬增稠的鉆進液；使所述鉆進液流通通過所述井；并鉆進到所述煤層中。根據本發(fā)明的另一個廣泛方面，提供鉆進液，所述鉆進液包括:膨潤土和pH為約10以上的混合金屬增稠劑的含水混合物；和至少0.05%(w/v)的硫酸鈣。應理解，通過下列詳細描述，使得本發(fā)明的其他方面對本領域技術人員而言變得易于理解，其中通過實例對本發(fā)明的各種實施方案進行顯示和說明。作為本發(fā)明的目的，能夠將本發(fā)明用于其他和不同的實施方案，且能夠在多個其他方面對其幾個細節(jié)進行修改，而根本不會背離本發(fā)明的主旨和范圍。因此，詳細的描述和實例在本質上被認為是示例性的而不是限制性的。各個實施方案描述

下面列出的詳細描述和實例用于說明本發(fā)明的各個實施方案，而不是僅代表發(fā)明人所預期的實施方案。詳細描述包括用于提供本發(fā)明的全面了解的具體細節(jié)。然而，應當清楚，本領域技術人員不使用這些具體細節(jié)仍可實施本發(fā)明。直至今日，混合金屬增稠的鉆進液因煤的液體稀釋效應而通常不能成功地用于煤層中。認為煤粉的聚陰離子特性如褐煤和木質素磺酸鹽的聚陰離子特性阻礙了鉆進液中混合金屬部分和膨潤土的靜電交互作用，有時導致液體流變性完全崩潰。我們已經確定了一些鹽來降低或阻止在用混合金屬增稠液鉆煤時的稀釋效果。我們先前提出，當在煤污染物存在下進行鉆進時，使用包括例如硫酸鉀、氯化鉀、醋酸鉀和甲酸鉀中的一種或多種的鉀鹽可基本上保持混合金屬增稠的鉆進液的流變性。現在我們已經發(fā)現，當在煤污染物存在時進行鉆進時，例如石膏形式的硫酸鈣也可保持混合金屬增稠的鉆進液的流變性。在利用混合金屬增稠液如基于或MMOH的那些進行鉆煤時，硫酸鈣可防止變稀效應。這種鹽還增加了抑制頁巖溶脹的作用，可能是因為存在源自于該鹽的鈣離子的緣故。由所鉆進的煤的量和/或根據頁巖活性來確定添加至鉆進液中的鹽的量。例如，年代較近的煤，比年代久遠的煤更易于使得混合金屬增稠的鉆進液產生更大的流變性不穩(wěn)定性，因此，可將更高濃度的鹽用于鉆進液中。此外，如果確定有明顯的煤炭礦床且需要穿過所述煤炭礦床鉆進，則再更高的鹽濃度是有用的。對于硫酸鈣，大于0.05%(重量比體積)的濃度在混合金屬增稠的鉆進液中是有效的。盡管可使用高達5%以上的量，但是已經發(fā)現，通常0.05 1.0%(重量比體積)的硫酸鈣濃度如0.05 0.5%的鹽(重量比體積)或0.1 0.5%的濃度對穩(wěn)定鉆進液以抵抗因煤污染而造成的不利流變性變化和發(fā)揮經濟優(yōu)勢兩方面都是有效的。在年代較近的煤或必須對明顯的煤炭礦床進行鉆進時，可在鉆進液中使用更高濃度(例如大于0.3%且例如0.3
1.0%)的硫酸鈣。據認為，硫酸鈣在約2 3kg/m3 (0.2 0.3%(w/v))下達到飽和，但可添加過量的量而無不利影響且事實上會產生鹽的緩沖以保持活性，條件是流體保持為能夠流通通過井眼的液體。通常，基于成本/效益分析，認為1.0%以上如0.5%的上限是合理的。如果期望，還可將鉀鹽添加至鉆進液中。寬范圍的鉀鹽濃度如濃度大于1%(重量比體積)在混合金屬增稠的鉆進液中都是有效的。已經發(fā)現，通常I 10%(重量比體積)的鹽濃度如I 5%的鹽(重量比體積)濃度對穩(wěn)定鉆進液以抵抗因煤污染而造成的不利流變性變化和發(fā)揮經濟優(yōu)勢兩方面都是有效的。在年代較近的煤或必須對明顯的煤炭礦床進行鉆進時，可在鉆進液中使用更高濃度(例如大于3%且例如3 10%)的鉀鹽。盡管可以在發(fā)生煤污染之后添加所述鹽，但是建議對系統(tǒng)進行預處理以獲得最佳結果。在一個實施方案中，例如，使用任何有用的鉆進液能夠將地表鉆孔鉆至大約第一煤炭礦床的水平，所述有用的鉆進液包括例如現有技術的混合金屬增稠的鉆進液。當確定煤層接近井底以下時或已經到達煤層時，可將鉆進液改變成根據本發(fā)明的鉆進液，所述本發(fā)明的鉆進液包括包含一定量硫酸鈣的混合金屬增稠的鉆進液?；蛘?，使用根據本發(fā)明的鉆進液將鉆孔向下鉆進到煤層并穿過煤層。例如，可以使用根據本發(fā)明的鉆進液基本 上從地表來鉆整個井，應理解，所述從地表來鉆整個井包括從地表或從上部沉積物以下或在套管下入深度(the casing point)之后進行鉆進。例如，可在開始鉆進操作時，開始使用當前的鉆進液。在鉆通鉆孔路徑中的煤層之后，繼續(xù)使用本鉆進液以用于井眼的其余部分或可以使用其他鉆進液。然而，如果煤粉仍持續(xù)進入鉆進液中，例如煤層保持敞開而與鉆進液接觸，則在鉆井完成或在煤污染的可能性消除之前持續(xù)使用本鉆進液是有用的。如果需要，對返回地表泥漿罐的鉆進液進行監(jiān)控以確定其中的鉀鹽和/或硫酸鈣的濃度和其他參數，由此確保能夠保持適當水平和流體特性。例如，在鉆進期間，可添加膨潤土、混合金屬增稠劑、堿或所使用的鹽(鉀鹽和/或硫酸鈣)中的任意一種或多種來調節(jié)鉆進液的參數。在一個實施方案中，例如在鉆進操作期間可向流體中添加一定量的混合金屬增稠劑，在所述鉆進操作期間對活性地層進行鉆進且鉆進巖屑并入到鉆進液中并改變鉆進液的流變性。在這類情況下，添加一定量的混合金屬增稠劑能夠增大流體的粘度。應理解，在鉆進時，可以通過鉆桿柱、鉆頭和井眼環(huán)面使得鉆進液流通。為了調節(jié)井、防止鉆具粘附等，即使在停止鉆進時，可繼續(xù)將所述鉆進液進行流通。在鉆進和流通期間，所述鉆進液的屈服點應保持在IOPa以上以提供有利效果?；旌辖饘僭龀淼你@進液包括在水中的膨潤土和混合金屬增稠劑，所述鉆進液的pH受控。通常將膨潤土用于鉆進液中且其用途對于本領域技術人員而言是很好理解的。盡管可使用多種形式的膨潤土，但是考慮到膨潤土和混合金屬增稠劑的靜電交互作用，應避免使用含聚陰離子添加劑或雜質的膨潤土。未處理的膨潤土特別有用。這種膨潤土在商業(yè)上熟知的或者為未溶膠化或天然膨潤土并具有高含量的鈉型蒙脫石或懷俄明(Wyoming)膨潤土。本文中，普通術語膨潤土包括至少所有這些形式。如上所述，混合金屬增稠劑為基于鎂/鋁的氧化物和/或氫氧化物的無機粒子。盡管有時稱作混合金屬氧化物(MMO)、混合金屬氫氧化物(MMH)和混合金屬氧化物和氫氧化物的組合(MMOH)，但是混合金屬增稠劑通常已知的是混合金屬氫氧化物并理解成由下式代表:
LimDdT (OH) (m+2d+3+na)Aa，其中m代表存在的Li離子數，包括0 ;D 代表二價金屬離子如 Mg、Ca、Ba、Sr、Mn、Fe、Co、N1、Cu 和 Zn ；d為I 約4的數；T為三價金屬；A為OH之外的單價或多價陰離子；a代表存在的A離子的離子數；n為A的化合價；且(m+2d+3+na)等于或大于 3。在一個實施方案中，混合金屬氫氧化物具有下式:DdT(OH) (2d+3+na)Aa，
`
其中D 代表二價金屬離子如 Mg、Ca、Ba、Sr、Mn、Fe、Co、N1、Cu 和 Zn ；d為I 約4的數；T為三價金屬；A為OH之外的單價或多價陰離子；a代表存在的A離子的離子數；n為A的化合價；且(2d+3+na)等于或大于 3。例如,二價金屬可以為Mg且三價金屬可以為Al。在一個實施方案中，最大興趣的混合金屬增稠劑為具有式MgAl (OH)47Cla3的混合金屬氫氧化物?；旌辖饘僭龀韯閺陌退狗蛴吞锞酆衔镉邢薰?BASF Oilfield PolymersInc.)商購獲得的商標為Polyvis II 的產品。通常，混合金屬增稠的鉆進液可包括低濃度的膨潤土(例如約15 50kg/m3或25 45kg/m3的在水中的膨潤土)。考慮到許多基于膨潤土(非混合金屬)的鉆進液包含的膨潤土是混合金屬增稠的鉆進液所包含的膨潤土的數倍(即2 4倍)，因此能夠理解，將這類低濃度膨潤土用于混合金屬增稠的鉆進液所產生的粘度可能不足以對鉆孔進行清潔。當將pH最初保持在約10.0以上且可能在約10.5 13時，向膨潤土中添加重量比為1:8 1:12或1:9.5 1:10.5的混合金屬氧化物、混合金屬氫氧化物或混合金屬氧化物和氫氧化物(包括其活化形式)來制造穩(wěn)定流體，如同添加苛性鈉和/或苛性鉀時所獲得的一樣。盡管可使用其他堿來調節(jié)PH，但是要采取措施以避免與硫酸鈣發(fā)生沉淀。一旦膨潤土 /混合金屬增稠劑的反應完成并形成凝膠，PH能夠降低至9或可能甚至更低而不會給粘度帶來任何明顯損失。在一個實施方案中，混合金屬增稠的鉆進液可包括25 45kg/m3的膨潤土、pH控制為大于pHll且MMO、MMH或MMOH與膨潤土的重量之比為約1:10的混合金屬組分和
0.05 1.0%的硫酸鈣。如果需要，可添加一定量的鉀鹽。根據需要向鉆進液混合物中添加添加劑以用于流體損耗控制、堵漏等。非離子或小離子添加劑是最有用的。一些實例包括用于降低流體損耗的淀粉、親有機物的堵漏材料(LCM)等。簡單的試驗可驗證任意特定添加劑與鉆進液的相容性。為了制造鉆進液，首先將膨潤土在水中水合。然后，添加混合金屬組分并調節(jié)pH。在需要在存在煤污染條件下鉆進之前的任何時間，將鹽添加至膨潤土和混合金屬的含水混合物中。應理解，當適合時還能添加添加劑如LCM、流體損耗控制劑等。典型的鉆進液制劑應符合表1A。表IA:適用于在含煤地層中鉆進的典型鉆進液
權利要求
1.一種在含煤地層中鉆進的方法，所述方法包括: 提供包含至少0.05%(w/v)硫酸I丐的混合金屬增稠的鉆進液； 使所述鉆進液流通通過所述井；和 鉆進到所述煤層中。
2.權利要求1所述的方法，其中提供所述混合金屬增稠的鉆進液的操作包括對水基鉆進液進行混合，所述水基鉆進液包括15 50kg/m3的膨潤土、增稠劑與膨潤土的重量比為1:8 1:12的混合金屬增稠劑、用于將pH保持在約10.0以上的堿和至少0.05%(w/v)的硫酸鈣。
3.權利要求1所述的方法，其中提供所述混合金屬增稠的鉆進液的操作包括對水基鉆進液進行混合，所述水基鉆進液包括:約25 45kg/m3的膨潤土 ；pH控制為大于pHll且MMO, MMH或MMOH與膨潤土的量之比為約1:10的混合金屬增稠劑；和0.05 1.0%的硫酸鈣。
4.權利要求1所述的方法，其中提供所述混合金屬增稠的鉆進液的操作包括: 在水中混合膨潤土以形成膨潤土混合物； 向所述膨潤土混合物中添加混合金屬增稠劑； 將PH調節(jié)至大于約10;以及 添加所述硫酸鈣。
5.權利要求4所述 的方法，還包括添加液體損耗控制添加劑和/或堵漏材料中的任一種。
6.權利要求1所述的方法，其中提供所述混合金屬增稠的鉆進液的操作包括獲得屈服點大于IOPa的鉆進液。
7.權利要求1所述的方法，還包括在所述鉆進液中夾帶煤粉的條件下繼續(xù)流通。
8.權利要求7所述的方法，其中所述鉆進液的流變性基本得到保持。
9.權利要求1所述的方法，其中在鉆進到所述煤層之前開始流通所述鉆進液。
10.權利要求1所述的方法，其中在煤層向所述鉆進液開放的同時保持所述鉆進液的流通。
11.權利要求1所述的方法，其中在開始所述鉆進方法的同時開始所述鉆進液的流通。
12.權利要求1所述的方法，其中所述硫酸鈣為石膏形式。
13.權利要求1所述的方法，其中所述鉆進液還包含一定量的選自硫酸鉀、氯化鉀、醋酸鉀和甲酸鉀中的鉀鹽。
14.權利要求4所述的方法，其中使用苛性鈉或苛性鉀來調節(jié)所述pH。
15.權利要求1所述的方法，其中所述膨潤土為未處理的膨潤土形式。
16.—種鉆進液,包含: 膨潤土和PH為約10以上的混合金屬增稠劑的含水混合物；和至少0.05%的硫酸鈣(w/v)。
17.權利要求16所述的鉆進液，其中所述鉆進液包含15 50kg/m3的膨潤土、增稠劑與膨潤土的重量比為1:8 1:12的混合金屬增稠劑、用于將pH保持在約10.0以上的堿和至少0.05%的硫酸鈣。
18.權利要求16所述的鉆進液，其中所述鉆進液包含25 45kg/m3的膨潤土、增稠劑與膨潤土的重量比為約1:9.5 1:10.5的混合金屬增稠劑、用于將pH保持在約10.5 13的堿、和約0.05 1.0%的硫酸鈣。
19.權利要求16所述的鉆進液，其中所述鉆進液包含約30 40kg/m3的膨潤土；pH控制在大于11且或MMOH與膨潤土的量之比為約1:10的混合金屬增稠劑；和0.1 0.5%的硫酸鈣。
20.權利要求16所述的鉆進液，其中通過如下操作制備所述鉆進液: 在水中混合膨潤土以形成膨潤土混合物； 向所述膨潤土混合物中添加混合金屬增稠劑； 將PH調節(jié)至大于約10; 添加所述硫酸鈣。
21.權利要求16所述的鉆進液，還包含流體損耗控制添加劑和/或堵漏材料中的至少一種。
22.權利要求16所述的鉆進液，其中所述鉆進液的屈服點大于10Pa。
23.權利要求16所述的鉆進液，其中所述硫酸鈣為石膏的形式。
24.權利要求16所述的鉆進液，其中所述硫酸鈣的濃度為0.5 50kg/m3。
25.權利要求16所述的鉆進液，還包含一定量的選自硫酸鉀、氯化鉀、醋酸鉀和甲酸鉀中的鉀鹽。
26.權利要求16所述的鉆進液，其中使用苛性鈉或苛性堿調節(jié)所述pH。
27.權利要求16所述的鉆進液，其中所述膨潤土為未處理的膨潤土的形式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆進液和用于在含煤地層中鉆進的方法。所述方法包括提供包括至少0.05%硫酸鈣的混合金屬增稠的鉆進液；使所述鉆進液流通通過所述井；和鉆進到煤層中。
文檔編號E21B21/00GK103154180SQ201180047548
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權日2010年8月26日
發(fā)明者C·K·史密斯 申請人:技術之星流體系統(tǒng)公司