减小摩擦的完井液

申请号 CN201280015486.5 申请日 2012-03-22 公开(公告)号 CN103717700B 公开(公告)日 2016-08-17
申请人 科伊尔化学有限责任公司; 发明人 杰里·W·诺勒斯; 亚历克斯·杰森·瓦特斯;
摘要 公开了一种用于减小管件,例如 套管 中的连续油管之间的 摩擦 力 的方法。所述方法包括在油中混合 选定 的 表面活性剂 及特氟纶粒子,然后将油加入 水 中并将混合物向下 泵 送到油管的步骤。所述混合物在套管内部的连续油管钻孔方面尤其有效。还已经发现制剂可减小金属表面上的 腐蚀 。
权利要求

1.一种用于减小井中的套管和油管的表面之间的摩擦的方法,所述方法包括以下步骤:
a)配制油相,所述油相包括:
i.油,
ii.悬浮剂,
iii.特氟纶粒子,以及
iv.表面活性剂,其使所述油湿润所述套管和所述油管的所述表面;
b)将所述油相加入中以形成混合物;以及
c)将所述混合物送通过所述油管并且进入所述油管与所述套筒之间的环形部分,从而减小所述表面之间的摩擦。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述悬浮剂为亚乙基双酰胺。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述表面活性剂为聚乙二醇600双油酸脂妥尔油酸脂。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述油从由以下各项构成的组中选取:、合成油、植物油及其混合物。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述特氟纶粒子的尺寸在1微米到100微米的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述油相还包含水溶性聚合物的分散体。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述油管为连续油管。
8.一种用于从井中的套管钻取桥塞的方法,所述方法包括以下步骤:
a)将油管置于所述井中,所述油管在远端具有钻头
b)配制油相,所述油相包括:
i.油,
ii.悬浮剂,
iii.特氟纶粒子以及
iv.表面活性剂,其使所述油湿润所述套管和所述油管的表面;
c)将所述油相加入水中以形成混合物;以及
d)在使所述钻头旋转以钻取所述桥塞的同时,将所述混合物泵送通过所述油管和所述钻头并且进入所述油管和所述钻头之间的环形部分。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述悬浮剂为亚乙基双酰胺。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,所述表面活性剂为聚乙二醇600双油酸脂妥尔油酸脂。
11.根据权利要求8所述的方法,其中,所述油从由以下各项构成的组中选取:烃、合成油、植物油或其混合物。
12.根据权利要求8所述的方法,其中,所述特氟纶粒子的尺寸在从1微米到100微米的范围内。
13.根据权利要求8所述的方法,其中,所述油相还包含水溶性聚合物的分散体。
14.根据权利要求8所述的方法,其中,所述油管为连续油管。
15.根据权利要求8所述的方法,其中,所述混合物间歇性地与水一起被泵送通过所述油管。
16.一种减小管件的内表面或外表面上腐蚀的方法,所述方法包括以下步骤:
a)配制制剂,所述制剂包括:
i.油,
ii.亚乙基双酰胺,
iii.特氟纶粒子,以及
iv.表面活性剂,其使所述油湿润所述管件的表面;
b)将所述制剂加入水中,
c)使所述制剂及载体液与所述管件的所述外表面或内表面接触

说明书全文

减小摩擦的完井液

技术领域

[0001] 本发明针对在井中的完井操作或者钻井操作期间,减小由井内金属管件之间的摩擦引起的拖拽(drag)的一种方法。更具体地,将化学添加剂和油相特氟纶(TEFLON)粒子加入到基液体中,以便于粒子被输送到管件表面上的油膜。公开的材料还减小管件表面上的腐蚀量。

背景技术

[0002] 在最近的历史上,石油和天然气行业已经发现,在油气藏内水平钻井能够潜在地做出一个更多产的井。水平井能够接入更大的体积的含油和含气层。横向或水平部分越长,井越多产。为此,如今在正被开发的很多油气层中、尤其是在低渗透性页岩层中水平钻井变得越来越普遍。
[0003] 套管被置于井筒中,并且在很多井中,套管在沿着井筒的水平段的选定数目的位置处打有射孔群或射孔组。这启动了“完井”过程。射孔组的数目可以从2到40或更多。然后,将水压裂液每次一组地送通过每个射孔组。通常通过在射孔组之间设置可钻取的桥塞,来将套管中的流体分到每个射孔组。在水力压裂处理物已经被泵送通过每个射孔组后,必须从套管中钻取桥塞以允许产物从不同射孔组上到井中。
[0004] 井的水平段的长度可受到从套管钻取桥塞的过程的限制。桥塞的钻取通常利用在连续油管端部的液压电动机钻头,通过将水基液体沿油管向下泵送并通过电动机及钻头,并沿套管内部的环形部分向上返回来进行。钻取也可以通过具有动力水龙头的修井机使接合管旋转并转动钻头来进行。在井的水平段连续油管或接合管与套管之间的摩擦可能变得和使连续油管或管沿水平段移动的力相等,在这一点处进一步钻取是不可能的。可使管移动的力由在井的竖直段中的管的重量决定,在一些情况下,由通过推动在表面上具有缓冲机构的管可施加的力决定。当使用接合管时,管可与钻头一起旋转,并且抵制管沿井筒运动的摩擦减小,但是对于连续油管,没有管的旋转导致较高的抵制沿井筒的运动的摩擦。但是,在井筒已经被钻为具有方向变化而产生“折线”或弯曲井筒的井中,即使存在结合管,接合管的旋转与沿井筒的运动也可能被限制。这意味着钻井装置有时候可以钻取比完井设备能够完成的横向部分更长的横向部分。
[0005] 在过去,聚合物珠粒与液体混合并进入井中循环以减少在钻孔和连续油管修井机两者中的摩擦(J.Can.Pet.Tech.,1996年11月,第7页)。在套管内部的连续油管和修井应用中这些珠粒的效用已经被限制。可以确信这是没有使珠粒集中在最需要它们的区域即金属与金属接触处的结果。因此,需要更好的减小摩擦的液体,以减小在水基液体中由金属与金属接触引起的连续油管和套管间的摩擦。(这种类型的减小摩擦与将水溶性聚合物加入到水基液体中以减少泵送期间液体压力损失的步骤无关。)

发明内容

[0006] 将化学添加剂加入油中,将油分散在水中并将其在完井操作或钻井操作期间在套管中向下泵送到井。将特氟纶粒子与悬浮剂和用于油湿钢的表面活性剂一起加入油中。油也可以包含水溶性聚合物或其他化合物的分散体。当连续油管或接合管用于套管井中时,减少了金属与金属间的摩擦。附图说明
[0007] 图1是水平井结构的整体视图。
[0008] 图2是在连续油管被放置在井的套筒内的情况下水平井的水平部分的截面视图。
[0009] 图3是用于测试液体的摩擦测试装置的立体图。
[0010] 图4是使用图3中测试装置测试的结果图。

具体实施方式

[0011] 图1展示了在具有井口10的水平井中的典型连续油管钻井装置。支撑件16支撑连续油管18的卷轴,其中连续油管18通过弯曲支撑件11被导入井中。井口10可以包括防喷器、缓冲机构(snubbing mechanism)或者其他常规设备。井套有套管26,套管26在井筒内延伸,在井的竖直段通过层20,在水平段通过层28。
[0012] 对于诸如从套管26钻取桥塞等某些完井过程,连续油管18被降至井中并进入到通常粘接在层28中的套管26的水平段。涡轮机或电机17及钻头19可以连接到连续油管18的远端,以钻穿器件(诸如已被插入到套管的水平段中的桥塞(未显示)等)。对于钻井,液体被泵送通过油管18、电机17和钻头19并通过油管18和套管26之间的环形部分返回井口。
[0013] 由于油管18被推动通过套管的水平部分,在位置31-35处发生金属与金属接触,如图2所示。摩擦增加了将油管放置在井中所需的力,并且可能限制在套管的水平部分中可放置油管的长度。本发明减少在诸如位置31-35等的接触区域处的摩擦。
[0014] 水溶性聚合物常被用在钻井液和完井液中,以减少泵送时的压力损失并提高液体将固体运出井的能力。通过首先将聚合物分散在油中并且然后将含有聚合物的油相加入水中来将水溶性聚合物加入水中的方法是众所周知的。这种方法尽可能减少或避免了当聚合物被加到水中时聚合物的凝集。水溶性聚合物(诸如聚丙烯酰胺等)在油中的分散体是市面有售的。油分成液滴以便水和聚合物接触并使聚合物在水相中分散。在于2010年3月11日提交的并且具有与本申请的第一发明人相同的发明人的专利申请(“聚合物混合系统(Polymer Blending System)”,SN12/952,373)中公开了一种用于混合油和水的改进装置和方法,其通过在油中的分散来引入水溶性聚合物。改进的装置也可用于混合本文公开的油相与水。
[0015] 本公开限定了在油相与水混合并且被泵送到井之前、将其他化学品添加到油相中。添加特氟纶粒子以提供金属表面之间的低摩擦。也可选择其他固体聚合物粒子。优选地,聚合物与金属之间具有低摩擦系数。为了使特氟纶充分起作用,我们发现粒子必须集中在金属表面附近。这通过以下方法来提供,即,首先将特氟纶分散在油相中,然后添加化学品以帮助特氟纶粒子悬浮在油中、并使油优选地湿润或附着到金属表面。然后特氟纶以油滴的方式被输送到油管和套管的表面且以油膜的方式集中在金属表面附近。这允许油管在套管中以减小的力运动,并可以延长可被插入到井筒中的管的长度。若特氟纶集中在表面附近,即使是以水基液体的方式,特氟纶也能够在钢零件之间提供极大的机械润滑。如下面将示出的,以相同浓度分散在水中的特氟纶不太有效。因此,本发明采用运载或输送系统来确保特氟纶在金属表面上或在金属表面附近的适当的沉积(deposition)。
[0016] 首先将特氟纶加入到油相。优选地,在油被加入水中之前,在特氟纶处于油相中时,用亚乙基双酰胺的胶体悬浮液使特氟纶保持在悬浮状态。亚乙基双酰胺的浓度优选在3重量%到7重量%的范围内。也可用其他悬浮剂,诸如煅制或亲有机粘土等。油也可包含水溶性聚合物的分散体,如上面所述。特氟纶粒子在管表面的沉积是通过以下方法实现的,在引入泵送液体之前在油相中运输特氟纶,然后形成将特氟纶运输到在金属表面上形成的油膜的油滴。使用表面活性剂可以使油膜形成,表面活性剂(如聚乙二醇600双油酸脂妥尔油酸脂(Polyethylene Glyco1 600 Dioleate Tallate)(由McAllen Chemical通过妥尔油(Tall oil)制造的中间产物))用于油湿(oil-wet)金属表面。表面活性剂的HLB值(亲水亲油平衡)必须使得能够在不产生稳定的乳状液的情况下形成油滴。因为表面活性剂及(hydrocarbon)使钢表面湿润,所以油滴附着到管的表面,从而使特氟纶有效地保持到管壁上而非允许特氟纶随泵送液体运输到井外。烃及特氟纶膜为井筒内的金属与金属接触区域提供了优良润滑。
[0017] 特氟纶粒子的直径优选地在1-100微米的范围内,并且由DuPont制造。运输特氟纶粒子和表面活性剂的油相使用传统的混合设备被添加到基础液体(水)中。油相通常以每10桶(bbl)水加1加仑油相(体积比为1比420)的比例进行添加。油可以是环烷酸、石蜡或者芳族烃(优选石蜡)、合成油(诸如有机硅氧烷液等)、植物油(诸如蔬菜油等)或者其他环境友好型油。表面活性剂必须提供金属表面的油湿(oil-wetting)而不形成稳定乳状液。可以认为,内部具有特氟纶的油滴遍布在管的内表面与外表面。特氟纶和烃膜为井筒内的金属与金属接触区域提供了优良润滑。
[0018] 图3示出了用于评估本文所公开的液体性能的装置的大致描述。这台台式摩擦测试仪由Justice Brothers Lubricants制造,目的是评估润滑油添加剂的性能。金属棒的力F施加到旋转金属轴承表面51。围绕旋转轴承表面的底部四分之一的杯52提供可以保持被测液体的容器。通过将砝码54放置在杠杆53的一端而将力施加到杠杆53。1磅重量将100psi(磅/平方英寸)的力施加到轴承表面。通过观察110伏特四分之一力(HP)电机55的安培数来测量液体的性能,电机55用于在轴承上施加恒力使轴承转动。每5秒记录一次安培数。当听到轴承表面的磨损或者电机消耗电流达到10安培时,测试完成。
[0019] 示例1
[0020] 通过将表1中给出的组合物的0.5%溶液混合到蒸馏水中并在200mL烧杯中磁力搅拌3分钟进行混合,来配置200g的样品。
[0021] 表1
[0022]
[0023] 然后,将样品迅速倒入杯52中(图3)。当保持重量离开静态轴承表面时,打开机组以允许溶液涂覆轴承表面。经过短暂时间后,使杠杆53下降以对轴承表面施加200磅的力,且启动定时器。一次测试完成后,将杯从测试仪移除并使用异丙醇清洗。将轴承表面移除并用新的取代。使用示例1中的混合物与其他液体进行测试。
[0024] 图4是示出了在图3所示的测试装置中利用不同液体的情况下在一段时间内电机所消耗的安培数。线A、C和D,代表了针对目前在石油和天然气行业中用于完井的产品的结果,线B代表了针对特氟纶和水的混合物的结果。线E代表了针对示例1中组合物的结果。
[0025] 该图清楚地表明,产品A-D与在示例1中及上文公开的组合物相比,在更短的时间内导致接近10的安培数。组合物A-D使电流在20-30秒内接近10安培,然而本文所公开的制剂在70秒后才使电流接近10安培。
[0026] 示例2
[0027] 在德克萨斯,井运营商在井的水平段中的套管内部设置了10个桥塞。钻取桥塞的操作是使用连续油管进行的。井的竖直深度约为8,290英尺(ft)且测量深度约为13,220英尺。连续油管已经被用于钻取除底部两个桥塞外的所有桥塞。使用现有技术中的降低摩擦液体,摩擦限制了钻取最后两个桥塞的能力。决定尝试本文所公开的油相组合物。在以每10桶水加1或2加仑示例1中公开的油相混合物的比例将油相混合物加到水中,并使当前液体沿连续油管外部的环形部分向上循环后,到达并钻取最后两个桥塞。在从与第一口井相同的平台钻取的第二口井时,摩擦比第一口井的要高,但是使用本文所公开的组合物,从井中成功钻取了所有桥塞。在钻井操作期间在现场的井运营商的代表评价说,他相信如果没有使用本文所公开的材料不可能钻取所有桥塞。
[0028] 示例1中给出的浓度可能在较宽范围内变化。特氟纶粒子的浓度可以在约1重量%到约8重量%的范围内。亚乙基双酰胺的浓度可以从约1%到约10%变化。可用实验确定悬浮剂的有效量。表面活性剂的浓度可以在约1%到约5%的范围内。诸如上述实验等可用于确定表面活性剂的有效量。
[0029] 还已经发现本发明的制剂也可抑制金属表面上的腐蚀。将1/4英寸(in)的板件切成2英寸×5英寸的条,并且将这些条的表面磨成裸露金属。两条作为对照并且不涂覆任何物质。一块用10磅/加仑(lb/gal)的盐水喷涂,且另一块不喷涂。两块条均在大气条件下置于室外。另两块条使用聚丙烯酰胺的水溶液处理,其中聚丙烯酰胺的水溶液是在许多完井、修井和压裂操作中使用的液体组合物。其中一块条用10磅/加仑的盐水喷涂,且另一块条不喷涂。两块条均在大气条件下置于室外。又两块条利用本文所公开的含表面活性剂和特氟纶的油进行处理。其中一块条之后用盐水喷涂,且另一块条不喷涂。两块条均在大气条件下置于室外。在大气条件下经过5天之后,利用本文所公开的含有表面活性剂和特氟纶的油处理过的条在小于15%的表面上表现出腐蚀(锈),而其他样品在100%的表面区域上具有锈。利用聚丙烯酰胺液体处理过的样品与没有经过处理的对照板相比并没有显示出更好的抗腐蚀性。利用10磅/加仑的盐水处理过的对照板的表面锈明显厚于没有被喷涂的对照板的表面锈。这对于对照板和利用聚丙烯酰胺处理过的板,同样如此。对照板和那些用聚丙烯酰胺处理过的板两者的表面区域均在100%的表面区域上具有锈。
[0030] 腐蚀实验表明,本文所公开的液体在井中钢表面与该液体接触后,可为钢表面提供防腐蚀保护。这意味着,含有特氟纶、油、表面活性剂的摩擦减小剂可被间歇性的泵送,以为井中的管的表面提供抗腐蚀保护并减小摩擦。
[0031] 尽管已经就具体细节描述了本发明,但是不希望这些细节被视为对本发明范围的限制,除非其被包含在所附权利要求的范围内。
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