專利名稱：鉆井和固井的方法
技術領域：
本發(fā)明論述油氣井的鉆井和固井問題。
油井或氣井的井眼通常是垂直鉆的。然而，有時需要鉆傾斜井眼。例如，含油層位于建筑物地區(qū)下面或河流等自然障礙物之下時。近些年來，由于大量的海上鉆井，不能為每一口井建一座獨立平臺，這就使鉆傾斜井更加重要。
鉆垂直井眼，鉆井過程一般是用旋轉鉆井方法進行的。
旋轉鉆井是用包括安裝在鉆柱下端的鉆頭的旋轉鉆井設備完成的。負荷加在旋轉著的鉆頭上，鉆入地層。鉆柱是空心的，在井眼鉆深時，把鉆桿加到鉆柱上，增加它的長度。旋轉鉆井時，用旋轉鉆柱轉動和/或驅動安裝在鉆柱下端的井下馬達旋轉鉆頭。
這種旋轉鉆井方法形成嚴重的摩擦力，而發(fā)熱和生成地層碎屑，必須從井眼中清除掉碎屑，和冷卻鉆頭以延長其使用壽命。這兩種需要是用鉆井液通過鉆柱向再經鉆柱與井壁間的空間還回地面的循環(huán)方法實現(xiàn)的。這樣做的過程中，會在井壁上沉積上薄層，通稱為泥餅。泥餅是由鉆井液中的固體物質和被鉆地層及井眼中的流體壓差的綜合因素形成的。因為鉆井過程中井眼中液柱產生的靜壓力最好略微高于到大大高于地層的孔隙壓力。這就使泥漿液相具有向地層滲漏的趨勢，當這種情況發(fā)生時，由于固體物質通常粒徑較大不能滲入地層，它們就沉淀在井壁上。
一旦井眼鉆到預定深度，能把井眼穿透的地層，層段或井段獨立分開是最理想的。為了從地層中采出流體，應從地面向井眼下套管，其它管柱安裝在套管內。
據(jù)此，需要用某種材料充填套管與井壁或套管與襯管間的環(huán)形空間，這種材料能封堵環(huán)形空間并支撐固定套管或襯管，通常把這種工藝叫做固井。
鉆一口廣義的傾斜井井眼是非常昂貴的，其中部分原因就是因固井作業(yè)難度大。在傾斜井中，要使套管準確的處于井眼的中心，這是根本不可能的，這就產生了兩個問題首先，排出環(huán)形空間更窄一側井壁上的流體更加困難;其次，清除環(huán)形空間狹窄和井壁上的泥餅更加困難。因為泥餅一般不能與水泥牢固粘結，使后一個問題更為重要，這可能使沖替鉆井泥漿的流體造成溝道和/或者在環(huán)形空間留下大量未排出的、不能相容的泥漿而造成固井溝道，在最后的固井作業(yè)中，產生各種各樣的空洞。
本發(fā)明的一個目的是用水泥固結廣義的傾斜生產井。
本發(fā)明的第二個目的是防止生產井固井作業(yè)中形成空洞。
本發(fā)明的第三個目的是防止生產井環(huán)形空間狹窄部分殘存的水泥和泥餅間的不相容難題。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的鉆井和固井方法包括用鉆柱和鉆頭組成的旋轉鉆井組件，和含有高爐的礦渣和水的鉆井液鉆一口廣義的傾斜生產井。
鉆井液經鉆柱向下面經鉆柱與井壁之間的環(huán)形空間向上進行循環(huán)，因此，在鉆井過程中井壁上形成泥餅;
起出鉆柱組件，下套管;
向鉆井液加入活化劑，生成有粘結性的水泥漿;及具有粘結性的水泥漿通過套管向下，上返進入套管與井壁形成的環(huán)形空間進行循環(huán)。
已經發(fā)現(xiàn)，利用鉆井液中的高爐礦渣，在井壁上形成可相容的泥餅，因此，環(huán)形空間狹窄處井壁的泥餅變成有利因素而不是缺點。此外，正如將在下面詳細討論的那樣，未替換出的泥漿轉化成堅硬的致密填料。
文中術語“廣義井”意指包括有時叫做鉆斜井，水平鉆井或定向鉆井的那些技術。本發(fā)明適用于那種井-與垂向偏差小至1%，即使這么小的井身偏差也會給套管居中造成困難。其它極端的情況該屬水平井了，這很少見。本發(fā)明對下述這類井特別有價值偏差1°-90°，最好是10°-90°之間，最佳30°-80°之間。本發(fā)明對鉆偏斜角至少為30°的那類井特別有利。
本文中用的“鉆井液”術語意指水基或油基液體，它含有水，高爐礦渣，和至少一種其它添加劑(如增粘劑，降粘劑，溶解鹽，巖屑微粒，增加液體密度的固體增重劑，防止鉆井液和地層相互有害作用的地層穩(wěn)定劑，及提高鉆井液潤滑性能的添加劑。
在優(yōu)選的實例中，其中加入高爐礦渣和催化劑活化鉆井液，(詳情下面討論)，使鉆井液和水泥漿的流變學特性都成最優(yōu)化狀態(tài)。最后，按本發(fā)明配制的鉆井液和水泥漿具有耐鹽水特性，而且還受益于海水。由于使用廣義井的主要領域是海上鉆井，這里當然會有海水，所以這種方法就更有意義。因為本發(fā)明中使用的鉆井液，要成為水泥漿的一部分，所以這種鉆井液可叫做通用液，即在鉆井和固井中都可使用。一般來說，初始鉆井液可以是含有高爐礦渣的已知任何類型的鉆井液之一種。較合適的鉆井液包括那些本領域中已知的水基泥漿，清水泥漿，海水泥勻漿，鹽水泥漿，鹵水泥漿，石灰泥漿，石膏泥漿，聚醇類泥漿和水包油乳化液。USA專利No.5，058，679中公布了一組適用的鉆井液。此外，含油也含水的泥漿也可使用，如低含水油基泥漿和反油乳化液泥漿。不管是那種情況，泥漿必須含有高爐礦渣，一般來說礦渣含量為2.8-285kg/m3最后的鉆井液、較好的是28-228kg/m3，最好是57-143kg/m3。
可加入粘性材料制成通用鉆井液的典型鉆井液配方如下10-20重量%鹽，23-28kg/m3
土，11-17kg/m3羧甲基淀粉(防失水劑，Milpark Drilling Fluids公司以商標名“NEWDRIL”銷售)，1-3kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(這是一種頁巖穩(wěn)定劑，Milpark Drilling Fluids公司以商標名“NEWDRIL”銷售)，3-4kg/m3CMC(Milpark Drilling Fluids公司以商標名“BIOLOSE”銷售)，85-200kg/m3鉆屑，0-715kg/m3重晶石。
因為鉆井液要成為最后具有粘結性的泥漿的一部分，所以，要處理的廢泥漿的數(shù)量就大大減少了。
本發(fā)明的另一實施例方案中，鉆井液的多數(shù)組分或全部組分都要經過選擇，以便這些組分也能在粘性材料中起作用。下面表1和表2說明了這種鉆井液配方和粘結性泥漿配方的特點。
表1鉆井液中添加劑的作用添加劑 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水淀粉2防失水控制粘度生物聚合物3粘度硅酸鹽 粘度 頁巖穩(wěn)定劑碳水化合物 反絮凝劑聚合物4重晶石5控制密度
土6防失水粘土/石英粉7- -礦渣8巖屑穩(wěn)定劑 -石灰9頁巖穩(wěn)定劑調節(jié)堿度
PECP10巖屑/井眼穩(wěn)定劑防失水NaCl 頁巖穩(wěn)定劑油 潤滑劑 防泥包鉆具表2 粘結性泥漿中添加劑的作用添加劑 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水緩凝劑淀粉2防失水緩凝劑生物聚合物3粘度緩凝劑硅酸鹽 促凝劑碳水化合物 緩凝 反絮凝劑聚合物4重晶石5調節(jié)比重
土6防失水調節(jié)鉆屑濃度粘土/石英粉7調節(jié)鉆屑濃度礦渣8調節(jié)粘結性調節(jié)鉆屑濃度石灰9速凝劑調節(jié)鉆屑濃度PECP10緩凝劑控制流變性NaCl - -油 - -
1.如SKW化學公司制造的合成聚合物，商品名為“POLYDRILL”。
2.如Milpark公司生產的淀粉，商品名為“PERMALOSE”。
3.如Kelco oil Field集團公司制的生物聚合物，商品名為“BIOZAN”。
4.如Grain processing公司制造的水溶性碳水化合物聚合物，商品名為“MOR-REX”。
5.重晶石，即BaSO4，鉆井液增重劑。
6.
土，即粘土或叫膠質粘土，增粘劑。
7.如Milwhite公司制造的粘土/石英粉，商標名為“REVDUST”。
8.Blue Circle Cement公司制造的高爐礦渣，商標名為“NEWCEM”的最適用。
9.CaO10.多環(huán)聚醚多元醇，USA專利No.5，058，679中曾描述過。
所謂“高爐礦渣”指的是高爐中熔化金屬還原礦石排出的水凝性廢料，USA專利No.5，058，679中曾有說明，該說明在此并入本發(fā)明。所說的“磷鹽”系指膦酸鹽，磷酸鹽或聚磷酸鹽，下面將詳細說明。
適用的高爐礦渣是指粘結性泥漿中唯一的水凝組分。
本發(fā)明中使用的優(yōu)選高爐礦渣，是玻璃質含量高的礦渣，它是溫度為1400℃-1600℃的礦渣熔流與大量的水充分接觸急劇冷卻生成的。驟冷把礦渣熔流轉變成具有水凝性的玻璃狀材質。這時，它通常是粒狀物質，很容易磨成要求的粒度。礦渣中的化學成分有二氧化硅，氧化鋁，氧化鐵，氧化鈣，氧化鎂，氧化鈉，氧化鉀和硫。本發(fā)明中使用的高爐礦渣最好應具有特定的粒度，使其比面積在2000cm2/g-15000cm2/g，再好一些的是3000cm2/g-15000cm2/g，更好點的是4000cm2/g-9000cm2/g，最好的是4000cm2/g-8500cm2/g，各例中，比表面積或表面積是伯努尼(Blaine)比表面積。完全具備這些條件的高爐礦渣可以買到。Bloue circle cement公司生產的商品名為“NEWCEM”。礦渣可從馬里蘭州Sparrows point市的Bethlehem鋼鐵公司得到。
常用的高爐礦渣組分的重量百分比為SiO2，30-40;Al2O3，8-18;CaO，35-50;MgO，0-15;氧化鐵，0-1;S，0-2;氧化錳，0-2。典型的例子是SiO2，36.4;Al2O3，16.0;CaO，43.3;MgO，3.5;氧化鐵，0.3;S，0.5;氧化錳，＜0.1。
具有較小粒徑的高爐礦渣常常是合乎需要的，因為它的強度大，在許多情況下把高強度特賦予最后的水泥漿。涉及到確定粒徑時，術語“細?！笔怯脕砻枋霰缺砻娣e為4000-7000cm2/g的顆粒，相應的粒徑為16-31微米;“微細?！笔怯脕砻枋瞿欠N比面積為7000-10000cm2/g的顆粒，相應的粒徑為56-16微米，“超細?！笔怯脕砻枋霰缺砻娣e大于10000cm2/g的顆粒，相應的粒徑為5.5微米或更小。小粒徑高爐礦渣從奧柯拉荷馬州，吐爾薩市的Blue circle Cement公司購買，商品名為“WELL-CEM”，和Geochem公司的產品，商品名為“MICROFINE MC100”。
但是，把礦渣研磨成上述那種粒徑，是非耗費時間的。從一定意義上講，不可能把礦渣磨成一種粒徑的顆粒。因此，不論何種研磨方法只能得到雜散的多種粒徑。粒徑與具有該粒徑的顆粒的百分比圖，得出一條顯示粒徑分布的曲線。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，具有雜散的多種粒徑分布高爐礦渣，在粒徑與具有該粒徑的顆粒百分比圖上呈現(xiàn)出的至少兩個節(jié)點是有用的。發(fā)現(xiàn)如果僅有部分顆粒是超微粒級，那么，其余的，也是占多數(shù)的礦渣可研磨得更粗些，而且基本上仍能得到與花更多的錢把全部礦渣磨成超微所得結果相同。因此，至少能使5%的顆粒其粒徑為1.9-5.5微米的研磨工藝在經濟與效果方面提供了突出的優(yōu)點，更好一些的是6-25重量%的顆粒處于粒徑為1.9-5.5微米之間。獲得這類組分的最簡便方法是只把少量高爐礦渣研磨成超細粒并把這種粉末與不太嚴格條件下磨制的礦渣粉相混合。即使在不太嚴格的條件，也有些顆粒是細粒，微細粒或超細粒級的。因此，只有少量礦渣，如4重量%，較好的是5-10重量%可磨成超細粒級，其余的按常規(guī)方法研磨，得到的顆粒粒徑一般大于11微米，大多數(shù)粒徑在11-31微米之間。
如上所述，淡水的和鹽水的兩種泥漿都可使用，但是，以含0.1-26%重量(NaCl)的鉆井液為好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的鉆井液為好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的鉆井液。一個可用的來源是直接用海水或類似海水的鹵水溶液。與設想的結果相反，鹵水實際上提高了水泥的最終強度。
各種鹽類，最好是無機鹽，是適用于本發(fā)明所用鉆井液的，這些鹽類包括但不限于NaCl，NaBr，KCl，CaCl2，NaNO3，NaC2H3O2，KC2H4O2，NaCHO2，和KCHO2，如上所述，其中以NaCl為最好。廣義上講，這些鹽類都能用，如果愿意用的話，在不高于其飽和度的條件下使用。
本發(fā)明的另一特點，是能把鉆井液和最終水泥漿的流變學特性滿足特殊井眼的條件。由于使用礦渣作水凝材料得出的最終的粘結性水泥漿，這種水泥漿不會象加入波特蘭礦渣水泥那樣，在泥漿比較稀釋時降低其性能。另一方面，加入礦渣并沒有把極高的粘度賦予水泥漿。因此，如果愿意的話，可以使用高濃度的水凝材質。
然而，在本發(fā)明優(yōu)選的方法中，使用鉆井液，此后，在加高爐礦渣之前或在加的過程中再把鉆井液稀釋。稀釋液可以是和制鉆井液時用的液體相同，或者，也可用其它液體。一般來說，是鹵水，如果鉆井液是用鹵水配帛的，更應用鹵水作稀釋液。也可用更濃的鹵水，多數(shù)情況下，稀釋液和配制初始鉆井液用的液體都應優(yōu)先選用海水。這對在海上鉆井是特別有利的，用海上淡水不容易得到而海水是很容易取得的。相應的有利條件是從海上平臺鉆偏離垂向至少30°的井。
因此，作業(yè)工藝得到明顯的改進。這是因為首先能選擇鉆井液密度，使其足以防止因地層壓力而使地層流體進入井眼，但又要使鉆井液不能破壞井壁而促使鉆井液進入地層。利用稀釋，其后再加礦渣的辦法，粘結性水泥漿也能具有與鉆井液一樣適合特殊作業(yè)的密度。
可用兩種方法中任一方法進行稀釋。首先，把裝鉆井液的容器關閉，加入預定的水量或預定的稀釋液量。然而，在優(yōu)先選擇的實施方案中，鉆井液是以流動狀態(tài)通過混合帶，在“流動中”把稀釋液加入流動著的液流中，其后，再加入高爐礦渣。這就避免了高粘度粘結性水泥漿的形成，因而可用泵通過管道輸送，泵是因井裝置上的，無需專門設計泵水泥漿的泵。在有些領域使用本發(fā)明就特別有價值，如海上鉆機，再運送額外的泵水泥設備是極不方便的。根據(jù)要求，可把粘結性水泥漿的最終密度調制成鉆井液初始密度30%不到和70%多之間任何值，較好的是15%不到和50%多，最好是基本相同，即變化不大于重量的±5%。
完鉆之后，活化鉆井液。加入活化劑(下面詳細討論)，再加入礦渣或兩者同時加可做到這一點。較優(yōu)先選擇的是加礦渣和催化促凝劑。含水凝材料(而不是礦渣)的粘結性水泥漿也屬本發(fā)明的范圍，例如，火山灰和其它水凝材料。所說的“水凝材料”系指那種與水或其它活化劑接觸就變硬或固化的材料。在粘結性水泥漿中的粘結材料的總量一般在57kg/m3-1712kg/m3之間，較好的是285-1430kg/m3，最好是428-1000kg/m3。多數(shù)優(yōu)先選擇的實施方案中，水凝材料完全或基本上是由礦渣制成的，而不加其它水凝材料。
在本發(fā)明的另一實施方案中，鉆井作業(yè)時用普通鉆井液，其后，<p>準函數(shù)名稱的位置總是在類型符的內側，即在第2或第4碼位。
(2)函數(shù)類型符函數(shù)類型符0、1、2、3、4、6、7、8、9用于表征邊角字。函數(shù)類型符“”(冒號)和“‘”(單引號)用于表征偏正字。其中“”用于表征左右型字(例如25型和85型);“‘”用于表征上下型字(例如45型和65型)。
2)函數(shù)碼演示(1)邊角字編碼O型。假設有一漢字“
”并設“口”的代碼為K。
則其編碼為KOabc又設一漢字為“
”，并設“衣”的代碼為I。
則其編碼為IOabc再設一漢字為“
”，并設“行”的代碼為X。
則其編碼為XOabc1型。假設有一漢字“
”，并設“廣”的代碼為G。
則其編碼為Glabc2型。假設有一漢字“
”，并設“匚”的代碼為J。
則其編碼為J2abc3型正式。假設有一漢字“
”，并設“走”的代碼為Z。
D代表二價金屬離子;以及d表示D離子數(shù)量(0-4之間);
T代表三價金屬離子;
A代表除OH-外的化合價n的一價或多價陰離子，a是A陰離子數(shù)量，(m+2d+3+na)等于或大于3。
更詳細的描述可在USA專利No.4，664，843中找到。
鉆井液中的混合金屬氫氧化物與爐渣相結合有助于在較短時間內，即約半小時，38℃的低溫下生成強度相當大的水泥，在某些應用方面這可能是個重要優(yōu)點。
鉆井液中的適用的防失水添加劑包括
土粘土，羧甲基化淀粉，淀粉，羧甲基纖維素，SKW化學公司合成的樹脂“POLYDRILL”，碘化褐煤，褐煤，木質素或鞣酸化合物。增重材料包括如重晶石，碳酸鈣鹽，赤鐵礦和MgO。鉆井液中使用的頁巖穩(wěn)定劑包括水解聚丙烯腈，部分水解的聚丙烯酰胺，鹽類有NaCl，KCl，甲酸鈉或鉀，甲酸鈉或醋酸鉀，聚醚，多環(huán)醇和/或聚醇。增粘添加劑可用生物聚合物，淀粉，坡縷石和海泡石。添加劑也用來降低扭矩。適用的降粘劑如無鉻和鉻磺化木質素，磺化苯乙烯順丁烯酐和聚丙烯酸酯，根據(jù)泥漿類型和比重，都可使用。潤滑劑包括非離子去垢劑和油(柴油，礦物油，植物油，合成油)。控制堿度可用KOH，NaOH，或CaO。此外，其它添加劑有防腐劑，堅果殼等也能在普通鉆井液中見到。當然，鉆屑固相如石英礦物和粘土礦物(蒙脫石，尹利石，線泥石，高嶺石等)也可在普通泥漿中見到。
鉆井液中存在的其它添加劑包括低造漿粘土和中造漿粘土，羧甲基纖維素，聚丙烯腈，天然膠，分子脫水的磷酸酯，鞣酸化合物，堅木，礦采的木質素，磺化木質素類，云母，甘蔗纖維，和粒狀礦物。除
土外，非晶的和結晶的粘土如高嶺石，埃洛石，蒙脫石，微晶高嶺土，尹利石，滑石，蛭石，綠泥石，綠坡縷石，海泡石，坡縷石和漂白土，可用于與混合金屬氫氧化物結合。
活化劑或多種活化劑，在加礦渣之前與要用的其它組分一起加入，可與礦渣一起加入，也可在加礦渣之后再加入。
在某些情況下，可能需要把起緩凝作用的材料與活化劑一起使用，這是因為需要緩凝劑產生別的效應。例如，鉻鹽可與活化劑一起用作降粘劑。雖然它也起緩凝作用。
如上所述，活化劑無非是附加的高爐礦渣其濃度高到足以形成粘結性水泥漿。礦渣最終將水解并形成水泥，尤其是在高溫環(huán)境或向井眼加熱，都會加快凝固速度。
然而，最優(yōu)先選用的是礦渣(在粘結性組成中數(shù)量上占優(yōu)勢，即鉆井液中的礦渣和為形成粘結性水泥漿而加入的礦渣總量占大多數(shù))和化學活化劑結合使用。適用的化學活化劑包括硅酸鈉，氟化鈉，氟硅酸鈉，氟硅酸鎂，氟硅酸鋅，碳酸鈉，碳酸鉀，氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈣，硫酸鈉及它們的混合物。優(yōu)先選用苛性鈉(氫氧化鈉)和蘇打粉(碳酸鈉)的混合物，這是因為它們的效果好而且容易購得。在使用苛性鈉和蘇打粉混合物時，因為它們均起促凝劑作用，所以其比值變化大，優(yōu)選的是約2.8-57kg/m43的苛性鈉、更為優(yōu)選的是5-17kg/m3的苛性鈉與5-143kg/m3、優(yōu)選的是5-57kg/m3的蘇打粉一起使用?！発g/m3”是指最終的粘結性水泥漿的每m3中的重量kg。
本發(fā)明的另一實施方案中，如前所述，鉆井過程是用通用鉆井液進行的，穿透許多地層鉆一個井眼，并在井壁上形成泥餅。固井作業(yè)前，使活化劑與泥餅接觸，例如，活化劑經鉆柱向下，經鉆柱與泥餅間的環(huán)形空間向上進行循環(huán)，或者，起出鉆柱下套管，活化劑經套管向下，經環(huán)形空間向上進行循環(huán)。關于鉆柱或套管使用的“向下”一詞，是指向井的最遠端的方向，雖然極少情況下井眼是水平狀。同樣的“向上”一詞是指回返到井口的方向。優(yōu)先利用鉆柱進行循環(huán)，這是利用本方案的優(yōu)點，泥餅“穩(wěn)定著”，封堵氣層，防止失水，或叫防井漏，為了保持井眼原狀不必要起出鉆柱而另下套管柱。也可用來穩(wěn)定容易沖蝕的地層(如鹽層，其鹽可溶于水)或其它不穩(wěn)定的地層。鉆井完成之后，稀釋鉆井液，起出鉆柱，再按前述方法進行固井。這項作業(yè)可用循環(huán)含有活化劑的獨立流體完成，或把前述的堿類活化劑加入鉆井液來完成。
本發(fā)明還論述海上鉆井、固井方法，它包括用包括鉆井柱和鉆頭的旋轉鉆井組件鉆一口井，其中井的下部至少偏離垂向30°。
使用含57-143kg/m3礦渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的鉆井液;
鉆井液向下經鉆柱，向上經鉆柱與井壁間的環(huán)形空間進行循環(huán)，并在井壁上形成泥餅;
起出鉆具組件，下套管;
向鉆井液加入高爐礦渣，木質素磺酸鹽降粘劑，和含苛性鈉和蘇打粉混合物的活化劑，調制成礦渣總含量為285-1430kg/m3的粘結性泥漿;
使粘結性水泥漿通過套管向下，進入并經套管與井壁形成的環(huán)形空間向上回返。
本發(fā)明還論述鉆井和固井方法，它包括使用含水和礦渣的鉆井液，用包括鉆柱和鉆頭的旋轉鉆井組件鉆和固一口傾斜井;
鉆井過程中，經鉆柱向下，經鉆柱和井壁間的環(huán)形空間向上循環(huán)鉆井液，從而得到用過了的鉆井液;
起出鉆具組件，下套管;
把舊鉆井液與再加入的礦渣和活化劑結合，配制成粘結性水泥漿;
粘結性水泥漿經井眼向下并進入井壁與套管形成的環(huán)形空間向上返，把它作為替換液置換含水和礦渣的鉆井液;
繼續(xù)置換，直到替換液充滿套管和環(huán)形空間的底部為止。
在上述順序中也可用常規(guī)隔離液，此外，也可用備用液和/或隔離液從井眼中置換出含活化劑的廢液，儲存為下次使用或進行處理。
泥餅“穩(wěn)固”的實例中，活化劑可用前述的堿性活化劑，如氫氧化鈉和碳酸鈉混合物。
現(xiàn)在參照下述試驗通過實施例詳細論述本發(fā)明。
用1677kg/m3下述組成的鉆井液制備1665kg/m3通用鉆井液20重量%鹽(140000mg/L)、23-28kg/m3
土、11-17kg/m3羧甲基淀粉(Milpark公司銷售的商品名為“BIOLOSE”)、1.4-2.8kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(Milpark公司的銷售商品名為“NEWDRILL”)、2.8-3.6kg/m3CMC(Milpark公司的銷售商品名為“MILPAC”)、86-200kg/m3鉆屑、0-700kg/m3重晶石和114kg/m3高爐礦渣(Blue circle水泥公司的銷售商品名為“NEWCEM”)。
通用鉆井液設計成能在49℃-71℃溫度下用的鉆井液，并能產生穩(wěn)固的泥餅較好地封隔油層，保護地層。用原尺寸的水平井模型測試通用泥漿的凝固作用。測試的通用鉆井液表明在井下形成了泥餅。
通過模型循環(huán)這種1665kg/m3通用鉆井液，而且形成了泥餅。然后加入前述的礦渣和活化劑，部分通用鉆井液轉變成1845kg/m3的粘結性水泥漿，并用來置換井眼模型中的通用鉆井液，井眼模型加熱93℃老化3周。該試驗的最重要目的是在模擬的沖蝕段沉淀通用鉆井液，并說明未置換的通用鉆井液也可以盡可能差的物理條件下，形成封隔。
試驗的目的是1)說明為消除試驗模型中的未凝液體和泥餅，在井眼條件下未置換的1665kg/m3通用鉆井液能夠形成封隔;2)說明1665kg/m3通用鉆井液能轉變成令人滿意的粘結性水泥漿并具有水泥的特性;3)說明通用鉆井液/粘結性水泥漿作業(yè)能改進封隔油層(模型試驗中提高了切力和水凝水泥膠結作用)并建立了側向套管支撐。
試驗條件用改變人造井眼模型的方法，專門造成三處沖蝕段(2.54，5.08和15.24cm寬)，改進模型上的置換試驗是建立在下述現(xiàn)場條件上通用鉆井液條件-鉆一口直徑27cm的傾斜井，井眼循環(huán)溫度(BHCT)49℃-71℃。
水泥漿條件-井眼靜態(tài)溫度(BHST)93℃(5486m)。
置換模型-外徑(OD)12.7cm，長4.6m的鋼套管插入內徑(ID)16.5cm的人造巖心中，模擬具有三處沖蝕段的地層，水平段用下述試驗條件1)慢置換速度(159l/min)，以便不沖掉泥餅并保存已沖蝕段的未置換掉的通用鉆井液，2)100%套管平衡(居中心位置)。
人造巖心(代表地層)在模型的內圓周上，具有滲透性的砂-環(huán)氧樹脂混合物，厚4.45cm，(模型的鋼套管-27.3cm OD，25.4cmID)。三處沖蝕段(無過渡帶，邊緣整齊)是在把總長度4.57m鋼套管焊接前去掉部分砂-環(huán)氧樹脂人造地層造成的，三處沖蝕段(2.54，5.08和15.24cm寬)的頂端，從井眼模型的底部起，分別位于1.5m，2.1m和3m處。如前所述，外徑(OD)12.7cm的鋼套管放在井眼模型內的中心位置，留下理論上的環(huán)形空間間隙為1.9cm，沖蝕段間隙6.35cm。
1.9cm的環(huán)空間隙模擬小井眼的窄環(huán)形空間。
沉積泥餅前述1665kg/m3通用鉆井液，以速度447-636 l/min在飽和水的井眼模型中循環(huán)2小時。關閉井眼模型，用電加熱到60℃并增壓。在壓差0.69MPa條件下收集濾液，在巖心上形成的泥餅約0.32cm厚。
置換在溫度60℃條件下滲濾24小時后，以速率159l/min通過井眼模型循環(huán)通用鉆井液，同時收集附加的濾液。在循環(huán)過程中，從普通鉆井液中批量分出795l，加入457kg/m3NEWCEM牌礦渣，活化劑和緩凝劑把它轉變成570kg/m3粘結性水泥漿，然后，加7kg/m3紅色氧化鐵給粘結性水泥漿染色?；罨瘎┫到y(tǒng)用11kg/m3苛性鈉，40kg/m3蘇打粉和17kg/m3SPERSENE CF”(MI Drilling Flrids公司生產的無鉻磺化木質素)配制。用著色的粘性水泥漿，速率159-318l/min置換井眼模型中的普通鉆井液，直到未染水泥漿的初始部分記錄至為止。為了在模型中留下大量未置換的普通鉆井液，采用慢速置換法。然后，以速率159-318l/min通過井眼模型循環(huán)粘結性水泥漿20分鐘。
評價巖心在溫度93℃條件下老化三星期之后，把井眼模型冷卻至室溫，然后拆卸模型并鋸成三節(jié)。再把這三節(jié)鋸成較小的節(jié)做進一步的剪切和水泥膠結性試驗。
為了評價置換效率，把全部可用的截面都拍成照片。根據(jù)繪成的平面圖，置換效率為55%，大斜度井眼模型清楚地反映出較低的置換效率。雖然把套管居中放置，但完全的處于中心位置是做不到的，在環(huán)形空間的狹窄處大量通用鉆井液不能置換出來。
所說的置換效率是指被置換出的泥漿體積除以環(huán)形空間的體積乘100，置換為百分比。
因此，該例子說明了本發(fā)明在狹窄環(huán)形空間中使用的價值，從而推斷出廣義鉆井的價值。
未置換出的通用鉆井液的存在很明顯的，從起始端到終端都有，尤其是在底部更明顯。
雖然如此，發(fā)現(xiàn)通用鉆井液泥餅和未置換出的通用鉆井液封塊都是非常堅硬的。用手持式穿透計測試說明通用鉆井液泥餅和粘結性水泥漿具有大于5.1MPa的抗壓強度(最大讀數(shù))。實際上盡管泵速低，高角度(90°)井和有三處沖蝕段，還是達到了優(yōu)秀的固井作業(yè)。如果不用這種通用鉆井液和粘結性水泥漿，置換效率55%，固井作業(yè)應該是很糟的。
鋸開模型沖蝕部分并進一步評價。用縱向金剛石鋸齒切成厚3-4cm的平行面薄片，這些薄片顯示出地層，環(huán)形空間，沖蝕處以及變硬的通用泥漿，通用泥漿泥餅和粘結性水泥漿的新斷面。
變硬的通用泥漿和它的泥餅，在2.54cm沖蝕處，5.08cm沖蝕處底部和15.24cm沖蝕處底部都可見到。沖蝕處滲透性地層面附近的高硬度是因失水通用泥漿濃縮造成的。變硬的通用泥漿顯示的抗壓強度約3.14-10.5MPa。雖然試樣中有許多層理，但環(huán)形空間和沖蝕面都充分被固結了，整個層帶的封隔是很好的。
另外，在置換過程中，取了8個礦渣粘結性水泥漿樣品，在93℃溫度下，做5cm見方的水泥模塊硬化試驗一星期，得到平均抗壓強度13MPa，標準偏差1MPa。
水凝水泥膠結試驗結果頂部(1.4m長)切成二小段，用熒光染色水在這些巖心上(0.7m長)進行原狀水凝水泥膠結試驗。二個孔眼(前、后)鉆至巖心的套管，用環(huán)氧樹酯裝上接口，用液壓泵通過接口泵入染色的水，記錄下最大破裂壓力作為水凝水泥的強度。測試結果如下巖心/測壓孔 水凝水泥強度，MPaH-1 前 12.4H-1 后 2.7H-2 前 3.8H-2 后 5.2
剪固結力測試結果模型(1.4m長)的二底端切成5塊作剪固結力試驗。有沖蝕的樣塊不做剪固結力試驗。剪固結力用水壓機壓出套管的方法測量，測量結果如下試樣 管長(cm) 力(KN) 剪固結力(MPa)S-1 25 18 0.18S-2 23 86 0.93S-3 22 7.6 0.88*S-4 27 45 0.42S-5 27 24 0.22S-6 27 22 0.22S-7 27 7.0 0.06*S-8 22 8.9 0.10*＊鋸巖心時受過損壞的試樣。
此外，在置換過程中，取了四個礦渣粘結性水泥漿試樣并在實驗室剪固結力模塊中固化〔模塊鋼管長10cm，外徑3.8cm〕，溫度93℃，固化一周。平均剪固結力0.32MPa。
由上述試驗可得出下述結論。具有三處沖蝕的井段模擬試驗說明用1665kg/m3通用鉆井液是成功的。未置換的通用鉆井液封隔層抗壓強度在3.4-10MPa之間，得到了非常好的水凝水泥數(shù)據(jù)。雖然有變化，但剪固結力數(shù)據(jù)也是好的，這說明(1)即使在狹窄環(huán)形空間中除掉未凝固的鉆井液封隔層，礦渣通用水泥就能達到100%的置換效果，(2)除掉未凝固的材質，高爐礦渣通用鉆井液能提高套管的側向支撐，并因其它未凝固部分的固化作用而產生附加強度，(3)礦渣通用鉆井液，因提高了剪切力和水凝水泥膠結強度而提高了層帶的封隔作用，(4)高密度礦渣通用粘井液能按配方制造，并可在高溫下使用。
權利要求
1.一種鉆井和固井方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉鉆井組件和含高爐礦渣和水的鉆井液鉆一口廣義井；鉆井液經鉆柱向下，經鉆柱與井壁形成的環(huán)形空間向上進行循環(huán)，因此，鉆井過程中在井壁上沉積成泥餅；起出鉆具組件并下套管；向鉆井液加入活化劑，生成粘結性水泥漿；粘結性水泥漿經套管向下，經套管與井壁形成的環(huán)形空間向上進行循環(huán)。
2.權利要求1所述的方法，其中，活化劑是額外的高爐礦渣和堿性劑。
3.權利要求2中所述方法，其中，堿性劑是苛性鈉和蘇打粉的混合物。
4.權利要求3所述的方法，其中，鉆井液還含有磺化木質素降粘劑。
5.權利要求2所述的方法，其中，鉆井液含57和143kg/m3高爐礦渣，其中再額外加入足夠數(shù)量的高爐礦渣，以便形成粘結性水泥漿中粘結性材料的總量在285和1430kg/m3之間的粘結性水泥漿。
6.權利要求5所述的方法，其中，高爐礦渣是粘結性水泥漿中唯一的水凝組分。
7.權利要求2所述的方法，其中，鉆井液的礦渣和活化劑的礦渣都是5-25重量%超細粒礦渣粉和80-95重量%細?；蛭⒓毩５V渣粉的混合物。
8.權利要求1所述方法，其中，水含有溶解鹽。
9.權利要求8所述方法，其中，溶解鹽包括氯化鈉。
10.權利要求9所述方法，其中，氯化鈉的含量在0.2-5之間。
11.權利要求8所述方法，其中，水包括海水。
12.權利要求1所述方法，其中，鉆井液還含有多環(huán)聚醚多元醇。
13.權利要求1所述方法，其中，井眼是從海上平臺鉆的油井，角度至少偏離垂向30°。
14.權利要求1所述方法，其中，鉆井液含有粘土和混合的金屬氫氧化物觸變劑。
15.權利要求14所述的方法，其中，粘土是
土，混合的金屬氫氧化物是MgAl(OH)4.7Cl0.3;其中磺化木質素降粘劑在加活化劑之前加入;其中活化劑包括額外加入的高爐礦渣和堿性劑。
16.權利要求1所述方法，其中包括起出鉆具組件之前，活化劑經鉆柱向下，然后上返與泥餅接觸，因此使泥餅固結;此后進行另外的鉆井作業(yè)。
17.一種海上鉆井和固井作業(yè)的方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉鉆井設備鉆井眼，其中至少是井眼下部偏離垂向至少30°;使用含57-143kg/m3高爐礦渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的鉆井液;鉆井液經鉆柱向下，經鉆柱與井壁間的環(huán)形空間向上進行循環(huán)，因而在井壁上形成泥餅;起出鉆具組件，下套管;向鉆井液中加入高爐礦渣、磺化木質素降粘劑和含有苛性鉀和蘇打粉混合物的活化劑，生成粘結性水泥漿，其中礦渣總量在285-1430kg/m3之間;使粘結性水泥漿經套管向下，并上返進入套管和井壁形成的環(huán)形空間。
18.一種鉆井和固井方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉鉆井設備和含有水和高爐礦渣的鉆井液鉆、固一口傾斜井;鉆井液經鉆柱向下，經鉆柱和井壁間的環(huán)形空間向上進行循環(huán)，因而生成用過的鉆井液;起出鉆具組件，下套管;把用過的鉆井液與另外加入的高爐礦渣和活化劑相混合，生成粘結性水泥漿;把粘結性水泥漿經井眼向下，上返進入井壁和套管形成的環(huán)形空間，把它作為置換液替換含水和礦渣的鉆井液;繼續(xù)置換，直到置換液充滿套管和環(huán)形空間底部為止。
全文摘要
廣義鉆井，有代表性的是從海上平臺鉆的各種傾斜井，這類井是用含水和高爐礦渣的鉆井液鉆的，在鉆井過程中循環(huán)這種鉆井液，在井壁上形成泥餅。此后，加入活化劑，一般是堿性材料和額外加入的高爐礦渣，生成粘結性水泥漿，這種水泥漿經套管向下，再上返進入環(huán)形空間，完成首次固井作業(yè)。
文檔編號C09K8/20GK1086286SQ9311931
公開日1994年5月4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K·M·科萬, A·H·哈爾 申請人:國際殼牌研究有限公司