硅酸盐基井眼液和用于稳定未加固地层的方法.pdf

本发明公开了一种用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：将碱金属硅酸盐注入到所述井眼中；将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到所述井眼中；和允许所述碱金属硅酸盐与所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。

1.  一种用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：
将碱金属硅酸盐注入到所述井眼中；
将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到所述井眼中；
允许所述碱金属硅酸盐与所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。

2.  权利要求1所述的方法，其中所述地层包括未加固的或弱加固的区域。

3.  权利要求2所述的方法，其中所述硅酸盐凝胶是在所述地层的所述未加固的或弱加固的区域中形成的。

4.  权利要求1所述的方法，其中所述碱金属硅酸盐包括硅酸钠或硅酸钾中的至少一种。

5.  权利要求1所述的方法，其中所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂包含碳酸钙、氧化锌、硅氟化钠、碳酸镁、氧化镁和硫酸钙中的至少一种。

6.  权利要求1所述的方法，其中所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂包含可水解的酯。

7.  权利要求1所述的方法，其中所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂具有小于50微米的平均粒度。

8.  权利要求7所述的方法，其中所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂具有小于10微米的平均粒度。

9.  权利要求8所述的方法，其中所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂具有小于1微米的平均粒度。

10.  权利要求1所述的方法，其中在注入所述硅酸盐沉淀剂之前将所述碱金属硅酸盐注入。

11.  权利要求1所述的方法，其中在注入所述硅酸盐沉淀剂之前将所述硅酸盐沉淀剂注入。

12.  权利要求1所述的方法，其中将所述碱金属硅酸盐和所述硅酸盐沉淀剂同时注入。

13.  一种用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：
将碱金属硅酸盐注入到所述井眼中；
将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到所述井眼中，所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂包含硅氟化钠、碳酸镁、氧化镁和硫酸钙中的至少一种；和
允许所述碱金属硅酸盐与所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。

14.  权利要求13所述的方法，其中所述地层包括未加固的或弱加固的区域。

15.  权利要求14所述的方法，其中所述硅酸盐凝胶是在所述地层的所述未加固的或弱加固的区域中形成的。

16.  权利要求13所述的方法，其中所述碱金属硅酸盐包括硅酸钠或硅酸钾中的至少一种。

17.  一种用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：
将碱金属硅酸盐注入到所述井眼中；
将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到所述井眼中，所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂包含可水解或可生物降解的酯；和
允许所述碱金属硅酸盐与所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。

18.  权利要求17所述的方法，其中所述地层包括未加固的或弱加固的区域。

19.  权利要求18所述的方法，其中所述硅酸盐凝胶是在所述地层的所述未加固的或弱加固的区域中形成的。

20.  权利要求17所述的方法，其中所述碱金属硅酸盐包括硅酸钠或硅酸钾中的至少一种。

21.  权利要求17所述的方法，其中所述可水解或可生物降解的酯包括以下各项中的至少一种：没食子酸的烷基酯、聚乳酸的衍生物、聚乙醇酸的衍生物，和淀粉酯。

硅酸盐基井眼液和用于稳定未加固地层的方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2007年2月9日提交的美国专利申请60/888,971和于2008年1月24日提交的美国专利申请12/019,332的优先权，这些美国专利申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
[0002]在此公开的实施方案大体上涉及井眼液，其可以包含用于稳定未加固地层的硅酸盐基添加剂。
背景技术
[0003]烃流体，比如石油和天然气以及其它适宜的地层流体是通过钻出透过含有所需流体的地层区域的井而从地下的地质地层即储层中得到的。一旦钻出井眼，则必须进行完井。井“完井”涉及在井眼中或井眼周围的设备和物质的设计、选择和安装，以输送、泵送或控制流体的开采或注入。在将井进行完井之后，可以开始地层流体的开采。
[0004]当地下地层是“柔软的”或加固不好时，存在于地层中的小的颗粒(典型为砂)可能移位并且与开采的流体一起向井眼移动。砂的开采是高度不适宜的，因为其趋于导致地面和地下设备的磨蚀，因此，必须在开采的流体可以被加工之前将砂从开采的流体中移除。此外，移动的砂可能堵塞地层中的流动管道，从而需要其它增产处理技术如酸增产处理来恢复井的性能。
[0005]各种类型的未加固地层包括：沙丘砂、砂和砾石的冲积层，以及未加固海洋沉积层。在这些类型的地层中的钻井和完井中的挑战是保持井眼敞开和防止塌落，并且要避免在钻井作业的过程中由引入不可回收的泥浆或在井/含水层界面处涂抹粘土而降低井附近地层的水力传导性。用于未加固地层的钻井液典型地是水基的并且通常包括洁净的淡水、含粘土添加剂的水、含聚合物添加剂的水和含粘土与聚合物添加剂的混合物的水。
[0006]控制未加固地层中的松散的砂的一种方法涉及在井眼附近安置砾石的过滤床，以在开采烃时给未加固地层微粉的传输提供障碍。典型地，这种所谓的“砾石填充操作”涉及将一些所需颗粒泵送和安置到与井眼相邻的未加固地层中。这种填充耗时且安装起来昂贵。
[0007]用于控制未加固地层中松散的砂的另一种方法涉及通过以下方法将未加固地下开采区域加固或稳定成硬的渗透性块体：预先冲洗地层、涂敷可硬化的树脂组合物、涂敷隔离液、涂敷外部催化剂以引起树脂固化、和涂敷后冲洗液以从区域的孔隙中移除过量的树脂。然而，这种多组分的涂敷通常导致不确定性并且产生不适宜结果的风险。例如，当在可硬化树脂的涂敷和外部催化剂的涂敷之间使用了不足量的隔离液时，树脂可能在井眼本身中而不是在未加固地下开采区域中与外部催化剂发生接触。当树脂与外部催化剂接触时，发生可能导致快速聚合的放热反应。聚合可能通过堵塞孔通道而损坏地层，当井眼被固体物质堵塞时可能使泵送停止，或甚至可能由于聚合热而导致井下爆炸。此外，由于难以确定是否整个区间都被树脂和活化剂进行了处理，所以使用这些常规方法来处理未加固区域的长的区间是不实用的。
[0008]这些技术典型地涉及加固流体如树脂基加固流体通过井眼注入并且注入到围绕感兴趣的区间的地层中。树脂基加固流体通常包括有机树脂、固化剂、催化剂和油润湿剂。树脂体系在地层中硬化，从而将其加固。这种树脂基加固流体和使用它们的方法的实例描述于，例如，美国专利4,291,766；4,427,069；4,669,543；5,199,492；和5,806,593。树脂基加固体系可能使用起来复杂，特别是涉及多个处理阶段的那些，并且处理结果可能是不稳定的。当将加固流体的各个组分在不同阶段泵送到地层中时，它们可能有或没有以正确的顺序，或以正确的量汇合，或它们甚至可能根本没有汇合。并且，即使当它们汇合时，也没有确保组分的良好混合，从而有助于解释操作者在使用这种多段的加固流体时所经历的不稳定和不可靠的结果。
[0009]在改善性能的尝试中，建议了使用无机体系，尤其是使用形成硅胶的组分的其它井处理来改变地层，并且从而降低地层微粉的产生。例如，美国专利3,593,796描述了多级方法，其中将以下组分依次注入到地层中：(1)适于润湿细砂颗粒粒子的含有硅酸盐的水溶液，(2)能够与溶液(1)中的硅酸盐反应的硅酸盐沉淀剂的水溶液，从而形成固化材料并且将细砂颗粒粒子粘合在其中，和(3)含有油润湿剂的溶液。这种处理被设计为将细微粒子固定在地层中，并且防止它们经受随后的流体流动时移动。该专利陈述了可以使用碱土金属盐(例如氯化钙)、酸性铁盐、和某些其它金属盐的水溶液作为硅酸盐沉淀剂。
[0010]在另一种情况下，美国专利3,741,308描述了通过使一定体积的氢氧化钙(或，水解或彼此反应以形成氢氧化钙的化合物)水溶液流过未加固地层的孔而将未加固砂地层转化成加固的可渗透地层的方法。该专利陈述了可以通过将氢氧化钠加入到氯化钙溶液中来形成氢氧化钙溶液。该专利还陈述了在该方法的实施过程中，地层中的砂粒子变得涂覆有组成未知或不确定的硅酸钙，并且提出涂层将独立的颗粒粘合到一起并且提高了砂组合体的结构强度。
[0011]再另一种方法描述于两个相伴案例(美国专利5,088,555和5,101,901)中。在美国专利5,088,555中描述了砂加固方法，该砂加固方法涉及将(a)碱金属硅酸盐的水溶液和(b)钙盐(例如水合氯化钙或螯合钙)的某些有机溶液通过井眼的套管中的穿孔依次注入。据称，这两种溶液的组分反应以在被处理的地层区间中形成具有渗透性保持特性的硅酸钙粘合剂，从而防止在从井中开采烃流体的过程中产生砂。
[0012]然而，处于溶液中的硅酸盐沉淀剂的使用可能导致与硅酸盐接触时短的凝胶时间。因此，存在对允许更长和/或可控凝胶时间的加固或稳定方法的需要。
发明概述
[0013]在一方面中，在此公开的实施方案涉及用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：将碱金属硅酸盐注入到井眼中；将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到井眼中；和允许碱金属硅酸盐与固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。
[0014]在另一方面中，在此公开的实施方案涉及用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：将碱金属硅酸盐注入到井眼中；将固体微粉化剂注入到井眼中，所述固体微粉化剂包含硅氟化钠、碳酸镁、氧化镁、硫酸钙中的至少一种；和允许碱金属硅酸盐与固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。
[0015]在再另外的一方面中，在此公开的实施方案涉及用于处理被井眼穿过的地下地层的方法，所述方法包括：将碱金属硅酸盐注入到井眼中；将固体微粉化的硅酸盐沉淀剂注入到井眼中，所述固体微粉化的硅酸盐沉淀剂包含可水解或可生物降解的酯；和允许碱金属硅酸盐与固体微粉化的硅酸盐沉淀剂反应以形成硅酸盐凝胶。
[0016]本发明的其它方面和优点将从以下描述和后附权利要求中变得明显。
具体实施方式
[0017]在一方面中，在此公开的实施方案涉及由碱金属硅酸盐与固体硅酸盐沉淀剂的反应所形成的硅酸盐凝胶，以及涉及它们在地下地层的稳定中的用途。
[0018]硅胶
[0019]硅胶可以通过碱金属硅酸盐与硅酸盐沉淀剂的反应形成。当被注入井眼中时，反应性组分可以渗透通过地层的不牢固或未加固区域，并且在其中反应以形成硅酸盐凝胶。
[0020]形成本公开的硅胶的各种组分的安置可以变化。例如，可以如本领域普通技术人员已知的那样将凝胶试剂的块或丸“分布”于感兴趣的区域或地区中。在各种实施方案中，碱金属硅酸盐和硅酸盐沉淀剂可以在多级处理中依次(以任一次序)安置，或在单级处理中同时安置。例如，安置顺序可以取决于要稳定的未加固区域的厚度和宽度、选择的特定组分，和特定组分的凝胶时间。在一个实施方案中，可以首先注入碱金属硅酸盐，然后注入硅酸盐沉淀剂。在另一个实施方案中，可以首先注入硅酸盐沉淀剂，然后注入碱金属硅酸盐。在再另外的实施方案中，可以将碱金属硅酸盐和硅酸盐沉淀剂以单个的药丸(pill)的形式注入。
[0021]为了有效率且有效地稳定特定的未加固地层，硅酸盐与硅酸盐沉淀剂反应所需的时间可以是若干因素的平衡。也就是说，用于为了显著增加地层稳定性的硅酸盐、沉淀剂和周围的地层粒子的反应时间可以足够短，从而对钻孔机有利并且允许井眼钻孔的持续进行。此外，为了有效的稳定，用于反应的时间可以充分够长，足以使得硅酸盐和硅酸盐沉淀剂能够渗透穿过地层的未加固或弱加固的区域。本领域的普通技术人员应当认识到，通过改变试剂组分和安置顺序，凝胶时间可以从数分钟变化至20小时以上。
[0022]碱金属硅酸盐
[0023]根据本公开可以用于形成硅胶的碱金属硅酸盐可以包括例如硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。碱金属硅酸盐可以通过使二氧化硅与碱金属来源如碱金属的氧化物、碳酸盐和/或氢氧化物结合而形成。本领域的普通技术人员应当认识到，取决于特定的应用，碱金属硅酸盐可以被定制为以溶液或干燥形式供给，并且具有取决于其形式和二氧化硅与碱金属氧化物的比率而定制的固体含量、粘度和粒度。在一个实施方案中，二氧化硅与碱金属氧化物的比率可以在1.6至3.3的范围内，而在另一个实施方案中可以在2.5至3.2的范围内。在另一个实施方案中，基于其中携带碱金属硅酸盐的流体的总重量，存在于本公开的处理药丸中的碱金属硅酸盐的量可以在约10至60重量％的范围内。
[0024]可商购的硅酸盐的实例在下表1中列出。
表1



[0025]为了减少/防止硅酸盐在与沉淀剂反应之前的显著凝胶化，其中携带硅酸盐并且被注入到井眼中的流体可以具有约9至13的碱性范围内的pH。
[0026]硅酸盐沉淀剂
[0027]如上所述，在加入硅酸盐沉淀剂的情况下，可以通过化学转换将碱金属硅酸盐转化为硅胶，以形成牢固、不溶的凝胶的键接(bond)。根据本公开的硅酸盐沉淀剂可以是固体、微粉化的硅酸盐沉淀剂。如在此所使用的，“微粉化的”是指小于约100微米的粒度。
[0028]在各种实施方案中，硅酸盐沉淀剂可以具有小于约50微米的平均粒度，在其它实施方案中具有小于约10微米的平均粒度，并且在再另外的实施方案中具有小于1微米的平均粒度。本领域的普通技术人员应当认识到，取决于试剂可能需要向其中渗透的地层的种类和对于试剂悬浮在其中的流体的任何粘度或流变学的要求，可以相应地选择粒度。
[0029]固体形式的硅酸盐沉淀剂的使用可以允许控制用于硅胶形成的反应/凝胶的时间。在一个具体实施方案中，硅酸盐沉淀剂可以具有小于约1g/100mL的溶解度，而在其它实施方案中可以具有小于约100mg/100mL的溶解度。本领域的普通技术人员应当认识到，硅酸盐沉淀剂的溶解度可以根据所需的反应时间而不同。
[0030]合适的固体、微粉化的硅酸盐沉淀剂可以包含碳酸钙、氧化锌、硅氟化钠、碳酸镁、氧化镁、硫酸钙中的至少一种。然而，本领域的普通技术人员应当认识到，硅酸盐沉淀剂可以包含反应形成不溶性硅酸盐的多价金属阳离子的任何部分可溶的盐。
[0031]在某些实施方案中，固体、微粉化的硅酸盐沉淀剂可以包含任何固体、可生物降解的酯或材料，这些酯或材料降解以降低周围环境的pH。例如，合适的固体、微粉化的硅酸盐沉淀剂可以包含至少一种溶解度小于1g/100mL的可水解的酯。在其它实施方案中，固体、微粉化的沉淀剂可以包含没食子酸、柠檬酸、富马酸和琥珀酸中的至少一种的至少一种酯。在一个具体实施方案中，固体、微粉化的沉淀剂包含至少一种没食子酸酯的C2-C12烷基酯。在其它实施方案中，固体、微粉化的硅酸盐沉淀剂可以包含其它种类的降解以降低pH的固体、可生物降解酯或物质，比如例如聚乳酸、聚乙醇酸和淀粉酯。
[0032]在各种实施方案中，基于其中携带硅酸盐沉淀剂的流体的总重量，存在于本公开的处理药丸中的硅酸盐沉淀剂的量可以在约10至60重量％的范围内。
[0033]流体制剂
[0034]硅酸盐和硅酸盐沉淀剂可以独立地或组合地与用于注入井眼中的基体或载体流体结合。在各种实施方案中，基体流体可以选自水基流体和油基流体。
[0035]水基流体可以具有作为硅酸盐和/或硅酸盐沉淀剂可以结合到其中的基体溶剂的水性流体。水性流体可以包括以下各项中的至少一种：淡水、海水、含有有机和/或无机溶解盐的盐水、水和水溶性有机化合物的混合物，以及上述各项的混合物。例如，可以用所需的盐在淡水中的混合物配制水性流体。例如，这样的盐可以包括但不限于碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在本发明中公开的钻井液的各种实施方案中，所述盐水可以包括：海水、其中盐浓度低于海水的盐浓度的水溶液、或其中盐浓度高于海水的盐浓度的水溶液。可以在海水中发现的盐包括但不限于：氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、氧化物和氟化物的钠、钙、硫、铝、镁、钾、锶、硅、锂和磷盐。可以被结合在给定的盐水中的盐包括，存在于天然海水中的那些盐中的任何一种或多种或任何其它的有机或无机溶解盐。另外，可以用于本发明中公开的钻井液中的盐水可以是天然的或合成的，其中合成盐水在组成上趋于简单得多。在一个实施方案中，钻井液的密度可以通过增加盐水中的盐浓度(至多饱和)来控制。
[0036]在另一个实施方案中，可以将本公开的硅酸盐和/或硅酸盐沉淀剂结合到油基流体中。在一个实施方案中，井眼载体流体可以包含具有油质连续相、非油质不连续相、和硅酸盐添加剂和/或硅酸盐沉淀剂的逆乳液。备选地，对于在溶液中使用的碱金属硅酸盐，可以使用油质流体将其中的硅酸盐乳化，或可以将油质流体乳化在硅酸盐相中。如果需要与硅酸盐沉淀剂的较慢反应，则可以适宜地使用乳化在油质流体中的硅酸盐。当需要较低的密度时，可以选择使用乳化在硅酸盐溶液中的油质相。
[0037]油质流体可以是液体，更优选为天然的或合成的油，并且更优选所述油质流体选自包括下列各项的组中：柴油；矿物油；合成油，比如聚烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷或有机硅氧烷；以及上述各项的混合物。当形成逆乳液时，油质流体的浓度应当足够使得逆乳液形成，并且可以少于逆乳液的约99体积％。在一个实施方案中，油质流体的量为逆乳液流体的约30体积％至约95体积％，并且更优选为逆乳液流体的约40体积％至约90体积％。在一个实施方案中，油质流体可以包含至少5体积％的选自包括下列各项的组中的材料：酯、醚、缩醛、碳酸二烷基酯、烃及上述各项的组合。
[0038]在本发明中公开的逆乳液流体的制剂中所使用的非油质流体是液体，并且优选为水性液体。更优选地，非油质液体可以选自包括下列各项的组中：海水、含有有机和/或无机溶解盐的盐水、含有水混溶性的有机化合物的液体及上述各项的组合。非油质流体的量典型地小于用于形成逆乳液所需的理论极限。因此，在一个实施方案中，非油质流体的量小于约70体积％，并且优选约1体积％至约70体积％。在另一个实施方案中，非油质流体优选为逆乳液流体的约5体积％至约60体积％。
[0039]可以被包含在本发明中公开的流体制剂中的其它添加剂可以包括例如：湿润剂、亲有机性粘土、增粘剂、滤失控制剂、表面活性剂、分散剂、界面张力降低剂、pH缓冲剂、互溶剂、稀释剂、冲淡剂和清洁剂。对于配制钻井液和泥浆的本领域普通技术人员，这样的试剂的加入应当是熟知的。
[0040]有利地，本公开的实施方案可以提供处理流体或药丸，它们可以用于稳定地层的未加固或弱加固区域。使用固体或颗粒的硅酸盐沉淀剂可以允许在硅酸盐与硅酸盐沉淀剂之间较慢的反应或凝胶时间。较慢的反应时间可以允许凝胶组分、硅酸盐和硅酸盐沉淀剂在凝胶化之前更充分地渗透到未加固地层中。此外，通过以微米或亚微米尺寸的固体颗粒物质的形式提供硅酸盐沉淀剂，硅酸盐沉淀剂可以经受更少的在渗透地层方面的阻碍。
[0041]尽管已经对本发明的有限数量的实施方案进行了描述，但是受益于本公开的本领域技术人员应当认识到，可以设计不偏离本申请中公开的本发明范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应当仅仅由后附权利要求限制。