[发明专利]含有交联聚丙烯酸的水性钻井流体

说明书

钻探油气井的方法由使用含高分子量交联聚丙烯酸作为增粘剂的水性钻井流体组成。该钻井流体可进一步含有润滑剂，加重剂和/或润湿剂以及合成粘土。该水性钻井流体显示出摩擦系数基本上接近于油性钻井泥浆的摩擦系数。该钻井流体在超过150℃的井温下显示出稳定性。

技术领域

本发明涉及含有交联聚丙烯酸的水性钻井流体。

背景技术

大多数油气井的钻井包括使用钻井流体，常常称为钻探泥浆。在钻探过程中，该流体在压力下通过钻柱注射，并通过钻柱-孔环返回到表面上。一旦返回到表面上，则钻井流体含有来自钻头的切屑。尽管在再-循环流体之前，在表面处除去了大多数大的切屑，但较小尺寸的颗粒保持悬浮在钻井流体内。

除了从井眼中除去钻探的切屑以外，钻井流体还行使了其他功能。这些功能包括冷却钻头，润滑钻头，优化液压能传输到钻头上，增加井眼的稳定性并提供流体静力学压力，以防止坍塌或高压地质区，当这些区被钻头穿透时。

当选择合适的钻井流体时，必须平衡四种性能：粘度，密度，凝胶强度和过滤。

一般地，粘度维持尽可能低，以提供所要求的孔稳定性和流体损失控制。尽管稀薄的流体通常最好地清洁钻头，但为了从孔中除去粗糙砂砾，粘稠的泥浆常常是重要的。

密度增加(它定义为相对于单位体积钻井流体的重量)是在悬浮液中携带且再-循环的钻井材料量的量度。过量的悬浮切屑是非所需的，因为它们通常具有磨蚀性且增加泵，钻柱和钻头上的磨损。切屑的再粉碎还倾向于降低钻探进程的速率。进一步地，在该流体内较高浓度的固体通常导致在井眼壁上形成较稠的滤饼。

凝胶强度是在流动停止之后，钻井流体保持颗粒在悬浮液中的能力的量度。保持切屑在悬浮液中会防止当钻杆的连接件添加到钻柱上时，井眼内的工具沙锁(sandlocking)，并最小化沉积物在孔底部收集。高凝胶强度的缺点是切屑不能容易地沉降出钻探泥浆。这通常意味着这种切屑会被再-循环，从而导致颗粒被钻头粉碎，增加泥浆密度，增加泥浆泵的磨损，并降低穿透速率。

过滤是指通过在孔壁上以滤饼形式沉积泥浆固体，钻井流体限制流体损失到地层内的能力。尽管理想的滤饼薄，且通过侵入到地层内，最小流体损失，但对泥浆来说，滤饼的厚度通常是地层渗透性的函数。厚的滤饼具有许多缺点，所述缺点包括通过循环钻井流体，腐蚀滤饼，粘附钻杆，降低流体静力学压力和在工具取出过程中井眼壁部分坍塌。

当今，在油气开发中使用的钻井流体主要是水性或油性(包括合成油性)的。通常油性流体是非所需的，因为存在较大的处理担心和火灾危险。另外，与水性泥浆相比，油性流体是环境上不可接受的。进一步地，每桶油性泥浆的成本相对于水性泥浆要高，这是因为油比水昂贵得多。相对于水性泥浆，选择油性泥浆的合理性通常归因于在特定使用条件下它优异的性能。例如，相对于水性流体，油性流体通常提供优异的润滑性能。进一步地，对于一些亲水地层，例如页岩来说，通常优选油性流体，因为避免了水渗透地层。页岩可在含水粘土和膨润土存在下钻探，且没有溶胀或脱落(sloughing)，而溶胀或脱落可引起管道粘附难题。此外，可配制油性泥浆，耐受最多500°F的温度。

最近，含有合成聚合物的合成油性泥浆变得突出(prominent)。尽管合成油性泥浆常常提高了性能，但它们显著地比较昂贵。鉴于增加的环境危险，涉及井场内务处理(wellsite housekeeping)，运输和批准处置油性流体、合成油性流体和钻探的切屑的额外成本，在开发改进的水性钻井流体方面重新让人感到兴趣。

典型地，水性钻井流体由水相和悬浮的固相组成。液相或者新鲜或者是盐水。悬浮在液相内的固相可包括为满足手头特定的需求而共混的多种材料。作为一个实例，当高压力的地层要穿透时，比重超过4.1的重晶石(硫酸钡)常常用作加重成分，以增加钻井流体的松密度(bulk density)。当一些类型的高孔隙度、低压力的地层要穿透时，使用其他添加剂来控制钻井流体的循环损失。