專利名稱：油井鉆探流體、油井水泥組合物和增重材料的漿料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油井鉆探流體組合物、油井水泥組合物和用于油井鉆探流體和油井水泥組合物的增重材料的漿料。
背景技術(shù)：
在用于油和氣的勘探中，鉆探流體和水泥漿料兩者必須具有合適的密度，以平衡巖層中的井下壓力。鉆探流體一般用于起某些作用，例如，將巖屑提到地面，潤滑和冷卻鉆頭，保持井下壓力等。有兩大類鉆探流體，即水基(WBM)和非水基的鉆探流體(NAF)。通常，水基鉆探流體包含作為連續(xù)相的水與其它添加劑，例如，粘度改性劑，如粘土或有機(jī)聚合物；頁巖抑制劑；分散劑；和增重劑，例如鹽水或具有>2g/cm3的比重(SG)的重顆粒。油井水泥組合物的主要功能之一是在可能多于30年的井壽命期間保持井的整體性。水泥幫助減小油或氣不受控制流動的風(fēng)險(提供可滲透區(qū)域隔離)，為套管柱提供機(jī)械支撐，保護(hù)套管不受腐蝕，并且支撐井孔壁，以防止巖層坍塌。油井水泥進(jìn)一步用于產(chǎn)生永久或臨時密封(堵塞)。水泥漿料主要包含波特蘭水泥、水和添加劑，例如分散劑、流體減損失劑、阻滯劑和其它添加劑。它可進(jìn)一步包含改進(jìn)機(jī)械性質(zhì)的橡膠材料或纖維和用于密度優(yōu)化的空心球或增重劑。用于鉆探流體和水泥漿料兩者的常用增重劑為重晶石(BaSO4, SG最小為4.2)、四氧化三錳(Mn3O4, SG 4.7-4.9)、碳酸鈣(CaCO3, SG 2.7-2.8)、鈦鐵礦(FeTiO3, SG 4.5-4.7)、赤鐵礦(Fe3O4, SG 4.9-5.2)、方鉛礦(PbS，SG 7.4-7.7)和研細(xì)的二氧化硅(SiO2, SG
2.2_2.3)。首先，鈦鐵礦(氧化鈦鐵)(FeTiO3),作為開采礦物，在1979年由Titania AS作為增重劑引入到油氣勘探和生產(chǎn)。在A.Saasen等為在2001年9月30日至10月3日在新奧爾良的2001 SPE年度技術(shù)討論和展覽會(2001 SPE Annual Technical Conference and Exhibition)中發(fā)表的論文“鈦鐵礦作為重量材料在水基和油基鉆探流體中的應(yīng)用”(Application of ilmeniteas weight material in water based and oil based drilling fluids)(SPE 71401)中，描述在水基和油基鉆探流體中使用鈦鐵礦。使用的鈦鐵礦具有9.5 μ m+/-l.5 μ m的D50，高于45 μ m的顆粒的分?jǐn)?shù)小于1.5%重量,低于I μ m的顆粒的分?jǐn)?shù)小于10%重量。粒徑分布使用沉降圖通過沉降方法測定。這得到顆粒分布，用％重量表示。利用包含鈦鐵礦和重晶石的鉆探泥漿的全規(guī)模試驗(yàn)顯示，用鈦鐵礦代替重晶石不意味增加磨損。然而，已發(fā)現(xiàn)，在使用具有Saasen等描述的粒徑的鈦鐵礦時,流變性質(zhì)不能令人滿意。在美國專利申請US 2005/0277551中公開一種通過加入固相增重材料增加鉆探流體的流體相密度的系統(tǒng)，所述材料具有在約I μ m至約5 μ m至少50%重量顆粒和在4 μ m至8 μ m至少90%重量 顆粒的粒徑分布。固相材料選自重晶石、方解石、赤鐵礦、鈦鐵礦或其組合。然而，所有實(shí)施例利用重晶石，并且沒有用重晶石以外的其它增重材料得到的結(jié)果的跡象。
發(fā)明描述
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及油井鉆探流體，其中油井鉆探流體包含由超細(xì)粒狀鈦鐵礦組成的增重劑，所述超細(xì)粒狀鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5μπι的粒徑和3μπι和6μπι體積之間的D50，其中顆粒具有用購自Malvern Instruments的Morphologi G3顆粒表征系統(tǒng)通過圖像分析測定至少0.85的中值高靈敏度圓形度(HSCirc.[n，0.5])。中值高靈敏度圓形度(HSCirc.[η, 0.5])以后被稱為平均圓形度。鈦鐵礦的比表面積優(yōu)選在1.5和4m2/g之間。超細(xì)鈦鐵礦顆粒的平均圓形度優(yōu)選為至少0.90。作為描述顆粒形態(tài)或形狀的參數(shù)的圓形度通過以下公式測定:
高靈敏度(HS)圓形度=4 A/P2
其中A為顆粒面積，P為其周長。顆粒的平均圓形度可以在0-1的范圍內(nèi)，其中完全的圓具有I的圓形度，而極不規(guī)則的物體具有接近O的圓形度。具有高圓形度的增重劑合乎需要用于油井鉆探流體和油井水泥漿料，因?yàn)榕c具有類似大小但具有較低平均圓形度的材料比較，它通過低流變和較小磨損性增強(qiáng)流動性。通過粉碎和研磨具有低磁鐵礦含量的鈦鐵礦礦物，并使經(jīng)研磨的鈦鐵礦顆粒經(jīng)過沉降和懸浮過程，以去除伴隨鈦鐵礦的外來礦物顆粒，制備在本發(fā)明中使用的鈦鐵礦顆粒。在干燥后，使鈦鐵礦顆粒經(jīng)過進(jìn)一步研磨，并且過篩和分級，以得到所需的粒徑分布和具體表面積。在本發(fā)明中使用的鈦鐵礦的粒徑實(shí)質(zhì)小于Saasen等所用的粒徑。使用麥爾文對Saasen等使用的鈦鐵礦通過激光衍射的粒徑測量顯示18 μ m的D50。已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的油井鉆探流體顯示與根據(jù)Saasen等包含較粗糙鈦鐵礦和根據(jù)用重晶石作為增重劑的鉆探流體比較非常好的性質(zhì)。因此，與包含重晶石和更多較粗糙鈦鐵礦的鉆探流體比較，流掛實(shí)質(zhì)上改善。塑性粘度也得到改善。鈦鐵礦是一種酸可溶性礦物。它在無機(jī)酸中溶解，例如HCl、H2SO4和H3P04，并且可由很多有機(jī)酸溶解。利用小粒徑，用作本發(fā)明的增重材料的鈦鐵礦的酸溶解度優(yōu)良。增重劑的酸溶解度對于鉆探流體有極大的技術(shù)重要性，因?yàn)樵阢@探期間形成的過濾泥餅必須在開始生產(chǎn)油之前去除。這在稱為井完成的步驟中進(jìn)行。另一方面，重晶石不溶于酸，因此難以從井去除。通常用昂貴的螯合劑(例如EDTA)提高重晶石的溶解度。本發(fā)明的油井鉆探流體的另一個優(yōu)點(diǎn)是，鈦鐵礦顆粒具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。因此，來自鉆頭的沖擊將不使鈦鐵礦顆粒破碎成較小顆粒。這特別重要，因?yàn)槿绻@探流體的粒徑在鉆探期間改變，流變性質(zhì)也將改變。另一方面，重晶石具有低強(qiáng)度，并且在鉆探操作期間破碎成較小顆粒，導(dǎo)致改變鉆探流體的粘度。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及高密度油井水泥漿料，所述水泥漿料包含水、波特蘭水泥、二氧化娃粉末、二氧化娃微粉、增重材料和任選的流體損失添加劑及延遲劑，其中增重材料為粒狀超細(xì)鈦鐵礦，所述粒狀超細(xì)鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5 μ m的粒徑和3 μ m和6 μ m之間的D50，并且顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度。優(yōu)選超細(xì)鈦鐵礦顆粒的平均圓形度為至少0.90。已發(fā)現(xiàn)，包含超細(xì)鈦鐵礦的本發(fā)明的高密度油井水泥漿料具有與用赤鐵礦作為本發(fā)明的增重劑的油井水泥漿料相比低的沉降傾向，顯示與含有赤鐵礦的油井水泥比較改善的流變性質(zhì)。在本發(fā)明的油井鉆探流體和油井水泥組合物中使用的超細(xì)鈦鐵礦可以干燥粒狀形式加入。對于水基鉆探流體和水泥組合物，超細(xì)鈦鐵礦也可以含水漿料的形式加入。因此，本發(fā)明還涉及穩(wěn)定不沉降含水漿料，所述漿料包含水；最高85%重量超細(xì)鈦鐵礦，所述鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5 μ m的粒徑和3 μ m和6 μ m之間的D50，其中顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度；和基于干燥超細(xì)鈦鐵礦重量0.05至1%重量分散劑，所述分散劑選自乙氧基化聚羧酸酯、聚丙烯酸鹽、木質(zhì)素磺酸的堿金屬鹽和生物聚合物磺化丙烯酸酯共聚物和具有低于50，000g/mol的分子量的分散劑。優(yōu)選超細(xì)鈦鐵礦顆粒具有至少0.90的平均圓形度。優(yōu)選分散劑具有3000和20 000g/mol之間的分子量。已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的超細(xì)鈦鐵礦的漿料很穩(wěn)定，并且顯示很少的沉降。附圖簡述


圖1顯示鈦鐵礦的酸溶解的試驗(yàn)裝置。圖2顯示在100°C在6M MCl + 0.5M甲醇中鈦鐵礦溶解-時間的圖解。圖3顯示鈦鐵礦溶解作為粒徑的函數(shù)的圖解。圖4顯示鈦鐵礦溶解作為BET表面積的函數(shù)的圖解。圖5顯示包含不同增重材料的水泥漿料的流變分布。發(fā)明詳述 實(shí)施例1 油基鉆探流體
制備并根據(jù)API 13B標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)具有表I中所示組成的2.lg/ml比重的油基鉆探流體。表I中的鉆探流體用以下增重材料制備:
1.本發(fā)明的超細(xì)鈦鐵礦，具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量
12.5 μ m 的 D90 和 5 μ m 的 D50。2.Saasen等的鈦鐵礦，具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量18 μ m 的 D50。3.標(biāo)準(zhǔn)API重晶石。 在制備鉆探流體時，首先制備C aCl2在水中的鹽水，然后加入到流體，隨后加入增重劑。用6000rpm速度的恒定速度混合制備流體。用于各添加劑的混合時間顯示于表I中:
權(quán)利要求
1.油井鉆探流體，其特征在于油井鉆探流體包含由超細(xì)粒狀鈦鐵礦組成的增重劑，所述超細(xì)粒狀鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5 μ m的粒徑和3 μ m和6 μ m體積之間的D50，并且顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度。
2.權(quán)利要求1的油井鉆探流體，其特征在于超細(xì)鈦鐵礦具有1.5和4m2/g之間的比表面積。
3.權(quán)利要求1的油井鉆探流體，其特征在于鈦鐵礦顆粒具有至少0.90的平均圓形度。
4.一種高密度油井水泥漿料，所述水泥漿料包含水、波特蘭水泥、增重材料和任選的二氧化硅粉末、二氧化硅微粉 、纖維、橡膠顆粒、流體損失添加劑及延遲劑，其特征在于增重材料為粒狀超細(xì)鈦鐵礦，所述粒狀超細(xì)鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5 μ m的粒徑和3 μ m和6 μ m之間的D50，并且顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度。
5.權(quán)利要求4的水泥漿料，其特征在于超細(xì)鈦鐵礦具有1.5和4m2/g之間的比表面積。
6.權(quán)利要求4的水泥漿料，其特征在于鈦鐵礦顆粒具有至少0.90的圓形度。
7.一種穩(wěn)定不沉降含水漿料，其特征在于所述漿料包含水；最高85%重量超細(xì)鈦鐵礦，所述鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，I和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5μπι的粒徑和3 μ m和6 μ m體積之間的D50，其中顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度；和基于干燥超細(xì)鈦鐵礦重量0.05至1%重量分散劑，所述分散劑選自乙氧基化聚羧酸酯、聚丙烯酸鹽、木質(zhì)素磺酸的堿金屬鹽和生物聚合物磺化丙烯酸酯共聚物和具有低于50000g/mol的分子量的分散劑。
8.權(quán)利要求7的漿料，其特征在于分散劑具有3000和20000g/mol之間的分子量。
9.權(quán)利要求7的漿料，其特征在于超細(xì)鈦鐵礦顆粒具有至少0.90的平均圓形度。
全文摘要
本發(fā)明涉及油井鉆探流體，所述油井鉆探流體包含由超細(xì)粒狀鈦鐵礦組成的增重劑，所述超細(xì)粒狀鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，1和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5μm的粒徑和3μm和6μm體積之間的D50，其中顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度。本發(fā)明還涉及高密度油井水泥漿料，所述水泥漿料包含水、波特蘭水泥、增重材料和任選的二氧化硅粉末、二氧化硅微粉、纖維、橡膠顆粒、流體損失添加劑及延遲劑，其中增重材料為粒狀超細(xì)鈦鐵礦，所述粒狀超細(xì)鈦鐵礦具有至少85%重量的FeTiO3含量，1和5m2/g之間的比表面積(BET)，其中90%體積的顆粒具有用麥爾文激光衍射粒徑分析儀通過激光衍射測量小于12.5μm的粒徑和3μm和6μm之間的D50，并且顆粒具有通過圖像分析測定至少0.85的平均圓形度。最后，本發(fā)明涉及超細(xì)鈦鐵礦的漿料。
文檔編號C09K8/04GK103119123SQ201180022165
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者M.阿爾-巴戈里, C.德里斯達(dá)爾斯蒂爾 申請人:埃爾凱姆有限公司