CN102305048B - 控制井眼的环形体积内的压力 - Google Patents

Abstract

描述了用第二液体替换井眼内套管系统的环形体积内的至少一部分液体的方法。当该环形体积内的流体正被加热时，预先选择该第二液体以为该环形体积内的压力提供控制措施，所述第二流体包含至少一种无水无机材料。

Description

控制井眼的环形体积内的压力

本申请是申请号为200680049805.9的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及当约束体积内的流体正被加热时控制由该约束体积内的流体产生的压力的方法。在一个优选的实施方案中，本发明涉及控制由井眼内的套管柱组件描述的环形体积内的压力的方法。

背景技术

在钻井眼，例如油井的过程中，通常将较大直径的金属管的各个段固定在一起以形成布置在该井眼每一部分内的套管柱或套管衬。每个套管柱可以从表面附近的井头设施悬挂下来。或者，一些套管柱可以呈衬柱形式，这些衬柱从套管的在先部分的埋设深度附近伸出。在这种情况下，该衬柱将从衬悬挂器上的套管的在先部分悬吊下来。套管柱通常由许多通过螺纹接头或其它连接装置彼此连接的接头或片段组成，各自约为四十英尺长。这些接头通常是金属管，但是也可以是非金属材料例如复合管道。这种套管柱用来通过阻止孔穴壁塌陷来提高井眼完整性。此外，套管柱阻止流体从一个地层运动到井眼穿过的另一个地层。

通常，在钻井眼的下一部分之前，套管柱的每一部分被用水泥粘结在井眼内。因此，井眼的每一随后的部分必须具有小于在先部分的直径。例如，井眼的第一部分可以接收直径20英寸的表面(或导向)套管柱。井眼的接下来的若干部分可以接收分别具有直径16英寸、13又3/8英寸和9又5/8英寸的中间(或保护)套管柱。井眼的最后的部分可以接收分别具有直径7英寸和4又1/2英寸的生产套管柱。当固井作业完成并且水泥固化时，在由每一套管柱的外表面描述的环带中存在水泥柱。

被井孔穿透的地下区域通常由水硬性水泥组合物密封。在这种应用中，使用水硬性水泥组合物将管柱例如套管和衬管固定在井孔中。在进行这些基础固井操作中，将水硬性水泥组合物泵送入由井孔壁和置于其中的管柱的外表面界定的环形空间。允许该水泥组合物在该环形空间中固化以形成硬化的基本上不透性水泥的环形鞘，该鞘支撑该管柱并且使该管柱在井孔中定位并且将该管柱的外表面密封到井孔的壁上。水硬性水泥组合物还用于各种其它固井作业，例如密封高渗透区或地下区域中的裂缝，堵塞管柱中的裂纹或孔穴等。

包括多于一个套管柱的套管组件描述井眼内的相邻同心套管柱之间的一个或多个环形体积。通常，当安装套管柱时，每个环形体积至少在某种程度上填充有存在于井眼中的流体。在深井中，环形体积内的流体量(即，环形流体)可能相当大。每个1英寸厚×5000英尺长的环带将包含大致50,000加仑，这取决于套管柱的直径。

在油气井中，地层的一部分必须与该井的其余部分隔离并不罕见。这通常如下实现：使后续柱的水泥柱的顶部向上到在先套管靴上面的环带内。当这隔离地层时，使水泥向上到套管靴内部，这有效地阻断了由自然的压裂梯度提供的安全阀。代替在该靴处漏泄，任何压力累积将施加在该套管上，除非它可以在表面处放泄。大多数陆地井和一些海上平台井安装有为每个套管环带提供通路的井头并且可以迅速地放泄表观压力提高。另一方面，大多数诲底井头设施不为套管环带提供通路并且可能产生密封的环带。因为该环带被密封，所以内压力可能相应于温度的提高而显著地增加。

在套管柱的安装期间环形体积中的流体通常将处于或接近海底的环境温度。当加热环形流体时，它膨胀并且可能导致相当大的压力增加。这种条件通常存在于所有生产井中，但是在深水井中是最明显的。深水井很可能由于环带压力累积而损坏，原因在于相比在生产期间采出液的高温，置换流体的温度低。环形体积中流体(当它被密封时)的温度通常将是环境温度，该环境温度可以在0℉-100℉(例如34℉)的范围内，其中较低的温度最通常出现在该井上方具有相当大水深的海底井中。在从储层生产期间，产出流体在相当高的温度下穿过生产管道。50℉-300℉的温度是预期的，并且经常遇到125℉-250℉的温度。

产出流体的较高温度增加了套管柱之间的环形流体的温度，并且增加了对每个套管柱的压力。用于环形体积的常规液体在恒压下随温度膨胀；在环形空间的恒定体积中，增加的流体温度导致显著的压力增加。恒压下，基本上不能压缩的含水流体可能在从环境条件到生产条件的温度变化过程中体积增加超过5％。在恒定体积下，温度的这种增加可能导致压力增加高达大约10,000psig。增加的压力显著地增加套管柱破坏的概率，对井的操作带来灾难性后果。

需要的是用流体体系替换环形体积内的至少一部分常规流体的方法，该流体体系随着流体的温度增加比体积减小。环带压力累积(APB)问题在石油钻井/开采工业中是熟知的。参见：B.Moe和P.Erpelding，″Annular pressure buildup：What it is and what to doabout it，″Deepwater Technology，p.21-23，August(2000)和P.Oudeman和M.Kerem，″Transient behavior of annular pressurebuildup in HP/HT wells，″J.of Petroleum Technology，v.18，no.3，p.58-67(2005)。此前已经报道了数种可能的解决方案：A.如R.F.Vargo，Jr.等人的″Practical and Successful Preventionof Annular Pressure Buildup on the Marlin Project，″Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exibition，p.1235-1244，(2002)所述注射氮气发泡的水泥隔层，B.如J.H.Azzola等人的″Application of Vacuum Insulated Tubing to MitigateAnnular Pressure Buildup，″Proceedings-SPE Annual TechnicalConference and Exhibition，p.1899-1905(2004)所述的真空绝缘管道，C.如C.P.Leach和A.J.Adams，″A New Method for the Reliefof Annular Heat-up Pressure，″in proceedings，-SPE AnnualTechnical Conference and Exhibition，p.819-826，(1993)所述的可压碎泡沫隔层，D.如R.Williamson等人的″Control ofContained-Annulus Fluid Pressure Buildup，″inproceedings，SPE/IADC Drilling Conference paper#79875(2003)所述的水泥不足、全高度粘固，优选的渗漏通道或通气口，增强的套管(更强)和使用可压缩流体，和E.如J.Staudt在美国专利#6,457,528(2002)和美国专利#6,675,898(2004)中所述使用防爆盘(burst disk)组件。这些现有技术实例(虽然可能有用)不会提供APB问题的完全防护，这是由于执行困难或禁止性的成本，或这两者。我们的发明相对易于执行并且是成本有效的。

发明内容

因此，提供了控制约束体积内的压力的方法，该方法包括：

a)提供其内含有第一流体的体积，该第一流体具有第一压力和第一温度；

b)用第二流体替换该体积内的至少一部分第一流体；

c)将该体积密封以产生约束体积；

d)将在该约束体积内的流体加热，以使该流体处于第二压力和第二温度，

其中预先选择该第二流体以使该第二压力低于当该约束体积仅含第一流体时在第二温度下的压力。

在一个独立的实施方案中，提供了在井眼的套管结构内控制压力的方法，其中该压力可以根据井眼内的位置而改变。在这个实施方案中，压力和温度涉及环形体积内的单个位置。因此，该方法包括：

a)提供环形体积，该环形体积由井眼内的两个套管柱描述并且在该环形体积内的选取位置含有具有第一压力和第一温度的第一流体；

b)用第二流体替换该环形体积内的至少一部分第一流体；

c)将该环形体积密封以产生约束体积；和

d)加热该约束体积内的流体，以使在选取位置的流体处于第二压力和第二温度，

其中预先选择该第二流体以使在该选取位置的第二压力比当该约束体积在第二温度下仅含第一流体时在该约束体积内的选取位置处的压力低。

在一个实施方案中，尽管环形体积内的流体的温度提高，但是在该环形体积内的选取位置在第二温度下存在的第二压力等于在该位置的第一压力。在另一个实施方案中，在该选取位置的第二压力比在该选取位置的第一压力高至多50％，优选地至多30％，更优选至多15％。

在一个独立的实施方案中，该方法涉及环形体积内的最大压力。对于具有相当大垂直长度的环形体积，由环形流体产生的静水压力引起穿越该垂直距离的压力梯度，其中在该环形体积最深位置的压力大于该井眼顶部的压力，其中位置涉及地球的中心。因此，环形体积内存在压力是最高压力的位置。因此，在这个实施方案中，提供了在井眼的套管结构内控制最大压力的方法，该方法包括：

a)提供环形体积，该环形体积由井眼内的两个套管柱描述并且在该环形体积内含有在第一温度下具有第一最高压力的第一流体；

b)用第二流体替换该环形体积内的至少一部分第一流体；

c)将该环形体积密封以产生约束体积；和

d)将该约束体积内的流体加热到比该第一温度高的高温，以使至少一部分流体处于第二最高压力；

其中预先选择该第二流体以使该第二最高压力比当该约束体积在该高温下仅含第一流体时该约束体积内的最高压力低。

在一个实施方案中，环形体积内的第二最高压力等于第一最高压力。在这个实施方案中，尽管环形体积内的流体的温度提高，但是该密封的环形体积内不存在净压力增加。在另一个实施方案中，第二最高压力比第一最高压力高至多50％，优选地至多30％，更优选至多15％。

在另一个独立的实施方案中，提供了在约束体积内控制压力的方法，该方法包括：

a)提供包含第一流体和第二流体的体积，该第一流体和第二流体处于第一压力和第一温度；

b)将该体积密封以产生约束体积；

c)将该约束体积内的第一流体和第二流体加热，以使该第一流体和第二流体处于第二压力和第二温度，

其中预先选择该第二流体以使该第二压力低于当该约束体积仅含第一流体时在第二温度下的压力。

在一个特定的实施方案中，第二流体包含单体，该单体在按照该密封环形体积内的条件的温度和压力下聚合，伴随体积减小。因此，提供了在约束体积内控制压力的方法，包括：

a)提供包含第一流体的体积，该第一流体的一部分处于第一压力和第一温度；

b)用第二流体替换该体积内的至少一部分第一流体；

c)将该体积密封以产生约束体积；

d)将该约束体积内的流体加热，以使该约束体积内的至少一部分流体处于第二压力和第二温度，

其中该第二流体包含在第二压力和在第一温度和第二温度之间的范围中的温度下聚合的单体。

在其它因素当中，本发明基于具有不平常热膨胀性能的流体体系的发现，因为该流体在恒压下膨胀的程度比不可压缩流体所预期的小。因此，虽然被约束在密封体积中，但是当加热时，与常规流体所预期的相比，本发明的流体在该密封体积内引起更低的压力增加。

附图说明

图1示出了本发明方法的一个实施方案，显示了开口环形体积，在此期间，第二流体正被添加到该环形体积中。

图2示出了本发明方法的一个实施方案，显示了密封的环形体积，该环形体积包含本文公开的处于第二温度和第二压力下的第二流体。

图3示出了试验本发明一个实施方案的实验结果。

图4示出了试验本发明一个实施方案的实验结果。

具体实施方式

本发明提供流体体系，该流体体系当在约束体积内被加热时压力增加到比常规体系更低的值。将该约束体积密封以阻止流体的逃逸。因此，本发明提供当将密封或约束体积内的流体加热到高温时降低该体积内压力增加效果的流体和方法。

在一个实施方案中，该体积可以是任何被密封然后被加热的含流体的体积。本发明体积的非限制性实例是反应容器，用于进行例如，化学反应。该体积(最初充满第一流体)是开放的，是指可以使流体进入和离开该体积。在该体积被密封之前，使第二流体进入该体积，从而代替该体积中的至少一部分第一流体。然后密封该体积以阻止流体进一步流入和流出这种体积，并且将这种体积内的流体加热。这种加热导致该体积内的压力增加到相当大的程度，尤其是采用液相流体，更尤其是采用基本上不能压缩的的液相流体的情况下。因此，本发明提供具有以下性能的第二流体，即当包含在密封体积内并加热到目标温度时，该体积内的压力比当该体积仅包含第一流体时的压力低。

在一个特定的实施方案中，本发明提供在井眼内，尤其是在套管组件内的环形体积内控制压力的方法，该套管组件已经安装在打算例如，从储层提取资源的井眼中。资源的实例包括原油、天然气液、石油蒸气(例如，天然气)、合成气(例如，一氧化碳)、其它气体(例如，二氧化碳、氮气)、和水或含水溶液。

套管组件包括套管柱，该套管柱用于保护通过钻入陆地形成的井眼侧面。通过套管组件内的两个相邻的同心套管柱将环形体积分界。在油气井的构造期间，通常使用旋转钻机钻入陆地的地下岩层以形成井眼。随着旋转钻机钻入陆地，钻井流体(工业中称为″泥浆″)在井眼中循环。通常经由钻管的内部从表面泵送泥浆。通过经由该钻管连续地泵送钻井流体，该钻井流体可以流出钻管的底部并经由井眼壁和钻管之间的环形空间流回到井表面。当想要某种地质信息和当将该泥浆再循环时，通常让该泥浆返回到表面。泥浆用来帮助润滑和冷却钻头并促进当钻井眼时岩屑的除去。此外，由孔穴中的泥浆柱产生的静水压力阻止喷出，该喷出可能由于井眼内遇到的高压而发生。为了阻止高压引起的喷出，将重物投入泥浆以使该泥浆具有比在钻井中预期的任何压力大的静水压力。

在不同的深度必须使用不同类型的泥浆，因为井眼中的压力随井眼深度的增加而增加。例如，在2,500ft.的压力比在1,000ft的压力高得多。在1,000ft.使用的泥浆可能不重到足以在2,500ft.的深度使用，并且可能发生喷出。在海底井中的极限深度处泥浆的重量必须特别重以抵消高压。然而，这种特别重的泥浆的静水压力可能引起泥浆开始侵入或漏入地层，从而产生泥浆的循环液漏失。套管柱用来为井眼加衬里以阻止钻井泥浆的渗漏。

为了能够使用不同类型泥浆，采用不同的套管柱以消除井眼中出现的宽的压力梯度。为了开始，使用轻质泥浆钻井眼到需要重质泥浆的深度。这通常在稍微超过1,000ft处发生。在这一阶段，将套管柱插入井眼中。将水泥浆泵送入套管并且在水泥浆之后泵送流体例如钻井泥浆或水的柱塞流以将水泥推动到位于套管外部和井眼内部之间的环带中。用于形成水泥浆的水的量将在宽范围内变化，这取决于所选的水硬性水泥的类型，浆料需要的稠度，特殊作业的强度要求和手头的一般作业条件。

通常，使用水硬性水泥，尤其是波特兰水泥将井套管固定在井眼内。水硬性水泥是由于水合反应的发生而固化并显示抗压强度的水泥，该水合反应允许它们在水下凝固或固化。允许水泥浆凝固并硬化而使套管固定在原位。水泥还提供地面下地层的层位封隔并且帮助阻止井眼的坍塌或侵蚀。在设置第一套管后，钻孔继续进行直到再次将井眼钻到需要重质泥浆的深度并且该所需要的重质泥浆将开始侵入和漏入地层，通常在大约2,500英尺处。再次，将套管柱插入此前安装的套管柱内部的井眼中，并如以前那样添加水泥浆。

还可以在井眼中使用多个套管柱以隔离两种或更多种不应该彼此连通的地层。例如，在墨西哥湾发现的特殊情况是在大约2,000英尺的深度流动的高压淡水砂。由于高压，在那种程度下通常需要额外的套管柱。否则，该砂子将漏入泥浆或采出液。海下井头通常具有固定到海底的外壳和在该外井头外壳内接收的内井头外壳。在近海井的完井期间，经由安装在外壳上方的防喷器组(BOP stack)将套管和管道挂降入井头外壳内的支撑位置中。在井的完井之后，用具有适合的阀门的采油树(Christmas tree)替换防喷器组用于控制井液的生产。将套管挂相对于外壳孔密封并将管道挂相对于该套管挂或外壳孔密封，以使有效地在该套管和管柱之间的环带和该油管挂上方的外壳孔中形成流体屏障。在布置和密封套管挂后，安装套管环带密封件用于压力控制。如果该密封件在地面井头上，则通常该密封件可以具有与套管环带连通的端口。然而，在海下井头外壳中，存在大直径的低压外壳和较小直径的高压外壳。因为高压，为了安全起见，该高压外壳必须没有任何端口。一旦密封高压外壳，就无法让孔穴在套管挂下面用于防喷。

图1中代表性示出的是实施本发明原理的方法。在本文描述的方法和其它设备和方法的以下描述中，方向术语例如″上方″，″下面″，″上部″，“下部″等仅是为了便于参照附图而使用。此外，应该理解的是，在不脱离本发明原理的情况下，本文描述的本发明的各种实施方案可以按各种取向使用，例如倾斜、反转、水平、垂直等，和按各种构造使用。本文描述的方法可应用于陆地部位和水下部位中的井眼。应当理解，井眼在该井眼进入陆地的一端终止。在水下部位的情况下，终点处于水/陆地界面。

应当理解，本文使用的术语″井眼″和″套管柱″不应认为将本发明限制到方法的特定示出的构件。井眼可能是任何井眼，例如另一个井眼的分支，并且不一定直接延伸到地表。套管柱可能是任何类型的管柱，例如衬柱等。术语″套管柱″和″衬柱″在本文中用来指示任何类型的管柱，例如片段或非片段的管柱，由任何材料(包括非金属材料)制成的管柱等。因此，读者将领会本文所使用的这些及其它描述性术语仅是为了便于解释本发明的示例性实施方案，并不用于限制本发明范围。

图1示出了本发明的一个实施方案。已经使用钻柱50钻出了井眼10，并且已经预先安装了套管组件20，其包括至少两个彼此同心排列的套管柱。没有示出钻机，其具有支撑装置用于支撑钻柱，安装套管柱和将流体供给井眼。在图1中，已经安装了套管柱22，并通过水泥塞24在对着井眼10的一端处或附近加以密封。

现特别注意套管柱40，其已经被安装以延伸到井眼终点34。很明显，终点34可以是临时终点，以使在安装了套管柱40后可以进一步将井眼延伸。或者，套管柱40可以延伸到地层5中的最终深度，并且在生产开始之前不将井眼延伸。当安装套管柱40时，用流体填充由套管柱22的内表面和套管柱40的外表面界定的环形体积42，并且通常用存在于井眼体积36内的流体进行填充。可以最初存在于环形体积中的常规流体包括钻井流体或完井流体，这取决于钻井作业的环境。最初在环形体积内的流体(本文称作第一流体)的性能经选择满足钻井眼专业人员钻井以完井的需要。在一个实施方案中，第一流体是使用常规定义的不可压缩流体。

在图1所示的方法中的阶段，环形体积42经由在套管一端的开口44与井眼体积36流体连通。由46表示的环形体积的另一端与地面设备例如钻机(未显示)流体连通，该地面设备具有回收经由46离开该环形体积的流体的装置。环境关注提供使经由46损失到环境的流体量最小化的激励。

在本发明方法中，将第二流体经由开口48引入井眼体积36以替换该环形体积42中的至少一部分第一流体。开口48与供应该第二流体的装置流体连通。例如，可以在钻机或修井作业机上设置用于这一目的的泵送装置。第二流体作为柱塞流或小段塞被供给该体积，并且以较纯形式向下穿过井眼体积36。在井眼终点34，第二流体经由开口44进入环形体积42，并且向上流动，驱动最初在环形体积42中的在该第二流体小段塞前面的第一流体，并经由开口46离开该环形体积。供给环形体积的第二流体的量是工程选择的问题，这取决于密封环形体积42内部可以容许的压力的大小。这种量进一步受例如，井系统的尺寸，第二流体当供给环形体积时的温度，井中将产生的流体的温度，生产期间环形体积中的流体的预期温度，套管柱的设计和规格等的影响。

在足够量的第二流体已经添加到环形体积42中以替换其中包含的至少一部分第一流体后，密封该环形体积42。图2示出了由在26的水泥塞子和在28示出的套管环带塞子密封的环形体积42。通常，套管环带密封件将井眼的顶部密封，从而阻止流体从井眼逃逸到环境中。因此，由套管柱的环形体积42表示的密封或约束的体积包含流体，该流体被约束在原位并且被阻止以任何显著的程度从该体积泄漏。

在图2所示的实施方案中，用第二流体替换包含在体积例如环形体积42内的并在该体积内具有第一压力和第一温度的至少一部分第一流体，以使该体积填充有该第一流体和第二流体的结合物。通过水泥塞子26和套管环带塞子28密封在该套管柱22和40之间的环形体积42。在该环形体积42内的包含第二流体的流体的温度通常在0-100℉的范围内。对于海下设施，流体温度(即第一温度)通常小于60℉，或小于40℉，或例如，在25℉-35℉的温度范围内。

当烃流体开始产生并向上流经生产导管52并流出井眼10时，这些流体通常在比第一温度高的温度下。50℉-300℉的采出液温度是预期的，并且经常遇到125℉-250℉的温度。导管52内的较热的采出液将约束的环形体积42内的流体加热，以使该流体处于第二压力和第二温度。在常规体系中，密封环形体积内的流体压力随着温度升高将开始增加到显著更高的压力。相反，根据本发明，预先选择第二流体以使在约束体积内的流体的温度升高到第二温度后，在该体积内的第二压力比当该约束体积在该第二温度下仅含第一流体时的压力低。

由本发明实践获得的利益和优点与常规方法的缺陷形成对比。环形体积最初填充有第一流体。第一流体的温度可以在环境温度或之下，这取决于在添加第一流体期间井眼的条件。对于海下井眼，可以通过水冷却第一流体，通过该水，该第一流体从钻井平台处的来源在途中流到井眼。在这些条件下，第一流体通常将处于在0℉-100℉的范围内的温度。对于海下设施，流体温度(即第一温度)通常小于60℉，或小于40℉，或例如，在25℉-35℉的温度范围内。在流体密封在环形体积内后，它被向上穿过井眼中的生产管道52的采出液加热；升高的温度通常导致压力增加，有时高到灾难性的程度。

环带压力

相反，通过本发明方法将环形体积内的这种压力控制到易控制的程度。在本发明实践中，将包含流体的约束体积加热，以使在该约束体积内的流体处于第二压力和第二温度。在一个实施方案中，第二压力在整个约束体积中是均匀的。在另一个实施方案中，第二压力可以在该体积内处处不同。在这个实施方案中，因此，第二压力(和第二温度)参考该环形体积内的具体位置，称作选取位置。例如，井眼中的套管组件内的环形体积可以具有数百，甚至数千英尺的垂直深度。在该流体填充的井眼内的静水压力因此预期在井眼底部比在其顶部高。在另一个实施方案中，因此，本发明方法涉及控制环形体积内的最大压力，考虑该体积内的静水压头及其它因数。

对本公开目的来说，目标压力是在本发明实践期间环形体积内所需的压力。在一个实施方案中，在本发明实践中的目标压力是第二压力，该第二压力比该约束体积仅含第一流体时低。在另一个实施方案中，第二压力等于环形体积内的第一压力。在另一个实施方案中，预先选择第二流体以使包含在密封环形体积内的第二流体在第二温度下的第二压力比在第一温度下且仅含第一流体的未密封环形体积的第一压力高至多50％，优选至多30％，更优选至多15％。

在很多情况下，可以测量第一压力、第一温度、第二压力和第二温度并且各自的数值可以是已知的。然而，本领域专业人员将承认，可以在不知道这些参数的数值的情况下全面实践本发明。对本发明实践足够的是，第二压力维持在小于压力极限，在该压力极限下，其中包含流体的容器(例如套管柱)的完整性将被损害到不可接受的程度。

第二流体体系

当在此使用时，添加到环形体积中以控制该环形体积内的压力的流体称作第二流体或，在替代方案中，称作环形流体。因而，第二流体具有热膨胀性能，与基本上不可压缩的液体可能预期的环形体积内压力增加相比，该性能引起环形体积内更低的压力增加。在套管柱40的安装期间存在于井眼体积36中的流体，并因此当安装套管柱时最初在环形体积42内的流体称作第一流体。第一流体的组成对本发明不是决定性的，并且将通常是用于钻孔和完井的各种流体之一，包括例如，钻井流体或完井流体。钻井流体可以是水或油基的，并且可以进一步包含表面活性剂、盐、增重剂和任何需要用于有效冷却钻头，清除岩屑和保护和调理用于流体生产的井眼的其他材料。同样地，完井液可以是水或油基的，并且可以进一步包含用于清洗井眼和准备从地层开采流体的安装结构的材料。

在本发明实践中，通过第二流体至少部分地替换在环形体积内的第一流体。一般而言，第二流体包含液体组分和有助于本文所述性能的附加组分。在一个实施方案中，第二流体是不可压缩流体。在一个独立的实施方案中，当使用常规装置时，第一流体和第二流体的结合物是不可压缩流体。液体组分可以包含水、烃或这两者，包括例如，钻井流体的一种或多种组分。包含溶解的有机和/或无机盐、酸或碱的水溶液可以包括在第二流体体系中。可以包括烃混合物，包括通常存在于钻井流体或完井液中的材料。实例包括柴油、C₆-C₂₀混合物、醇、醛、酮、醚、羰基化物、芳族化合物、链烷烃和环烷烃。可以包括具有连续水相和不连续有机相的乳液；或者，可以包括具有连续有机相和不连续水相的乳液。另外，第二流体可以包括液相作为连续相，并且还包括固体，该固体可以作为浆料或作为块状颗粒存在。或者，第二流体可以包含液体作为连续相，该连续相具有气相层，或包含呈在液体内的气泡形式的气相。在另一个实施方案中，第二流体按任何或所有上述形式包含液、气和固相。在每个备选方案中，第二流体相对于流体温度的增加具有出乎意料的膨胀性能。

无水无机材料

在一个实施方案中，第二流体包含在含水载流流体中的无水无机材料。无水无机晶体或材料向环形体积中的添加将过量水吸收到其结构中，并且减轻环带压力问题。例如，无水硫酸钙(包括工业型式，例如石膏和石膏板(plaster-of-paris))的每种通式量将10个水合水吸收到其晶体结构中。无机化合物例如氧化钡或氧化钙也是有效的，它们也吸水。铝硅酸盐材料，包括结晶硅酸铝例如沸石通过以分子水平捕集水使液体脱水。这种应用的实例沸石是3A、4A、13X和Y沸石。这些沸石在水合后不膨胀，并且事实上，在方法期间释放空气。在水合期间释放的任何空气将被引入约束的环形体积。因为空气是可压缩的，所以当加热环形体积中的流体时由水合沸石产生的气阱提供压力缓冲。

在本发明的一个优选的实施方案中，可以用任何可以缓慢溶于截留液的材料例如可缓慢溶解的聚合物包封吸水性无机化合物的粒料，以使可以使反应足够延迟以在吸收剂作用发挥之前提供循环时间。这在二元或三元体系中也可能有效，其中水是被捕集的混合物的小组分(例如，6％水，其余部分为矿物油或其它这样的掺合物)。可缓慢溶解的聚合物的非限制性实例包括聚(乙烯醇)、羧甲基纤维素和明胶。

在一个独立的实施方案中，供给第二流体中的环形体积的至少一部分无机材料包含具有负热膨胀系数的钨酸锆或钼酸锆。

交联的聚合物材料

在一个独立的实施方案中，一种或多种交联的有机/聚合物材料包括在本发明的环形流体中以抵消当加热在该密封体积内的环形流体时的压力增加。任何尺寸上稳定的开口多孔泡沫材料(例如聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫)可以适合用于这一目的。当涂有可缓慢溶解的聚合物时，聚合物材料用于抵消增加压力的影响的有效性得到提高。这样，将涂有可缓慢溶解的聚合物的聚合物材料引入环形体积。在固井之后，该可缓慢溶解的聚合物溶解，使交联聚合物暴露到环形流体中。增加压力引起交联聚合物起皱，这既降低环形体积内的压力，又逐出最初捕集在该交联聚合物内的蒸气。聚合物的起皱和压缩气体的产生都有助于环形体积内的压力降低。

聚合体系

在一个独立的实施方案中，提供了如下控制约束体积内压力的方法：提供包含单体的第二流体，该单体在第二压力和在第一温度至第二温度之间的范围内的温度下聚合，并伴随比体积减小。根据这一实施方案，当加热时由于在密封环形体积之前被添加到环形流体中的单体聚合而使该密封环形体积内的压力降低。当添加到环形体积中时，水溶性单体和水不溶性单体都可以聚合，并伴随着体积减小(和该环形体积内的相联系的压力降低)。相对于没有本发明特定单体的聚合的类似体系，在密封环带的约束体积中，此种体积减小将导致该约束体积内的压力降低，

本发明的单体可以与水，油或具有钻井泥浆特征的更复杂的混合物(包括第二流体准备中的高密度组分)混合。该单体将在第二流体中的存在量为1-99vol％，更优选5-75vol％，仍更优选10-50vol％。实例第二流体包含20vol％单体和80vol％第二组分，该第二组分包含水和高密度材料例如硫酸钡。

随着单体的聚合，包括丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯的聚合，液体单体和固体聚合物之间的多达25％的体积收缩率可能由该聚合过程引起。参见，例如，″Acryilc and Methacrylic EsterPolymers″，Encyclopedia of Polymer Science and Engineering，第二版，J.Kroschwitz，ed.，John Wiley & Sons，Inc.，第1卷，表20，p.266，(1985)和D.A.Tildbrook等人的″Prediction ofPolymerization Shrinkage Using Molecular Modeling，″J.Poly.Sci；Part B：Polymer Physics，41，528-548(2003)。在本发明的一个优选的实施方案中，将单体悬浮或乳化(使用皂)在水中成为含合适聚合引发剂的水/油混合物，泵送入环形空间，并且在粘固后，聚合发生(再次，利用在接近凝固温度下的缓慢动力学)，其中采用单体和水的20％vol/vol混合物可以达到高达5％的总体积降低。可能对这种就地聚合方法实用的其它乙烯基单体的非限制性实例包括其它丙烯酸系酯、甲基丙烯酸系酯、丁二烯、苯乙烯、氯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基己内酰胺或其它这样的油和/或水溶性单体。

可以由为聚合方法选择引发剂获得附加利益。偶氮型引发剂在聚合方法期间产生氮气作为副产物。在约束环形体积中产生的所得气相组分(由于是可压缩流体)可以帮助当环形流体正被穿过生产管道的产物流体加热时控制该约束环形体积内的压力。还可以使用过氧化物引发剂，这取决于产物流体的温度和化学抑制。或者，如果如上所述被包封以控制聚合发生的时机，则还可以使用氧化还原引发剂体系例如过硫酸铵和活化剂N，N，N′N′-四甲基乙二胺，或过硫酸钾和活化剂硫酸亚铁/亚硫酸氢钠。

气体产生材料

在另一个实施方案中，气体产生材料的添加提供减轻环带压力问题的可压缩气阱。可用于本发明的气体产生材料的实例包括将柠檬酸和碳酸氢盐(按1∶2重量比)与少量金缕梅萃取物结合到当与水水合时放出二氧化碳气的可模塑产品中。优选地，这种材料的粒料涂有和/或包封有上述缓慢水溶性聚合物。在将这些粒料用于本发明实践时，将被涂覆的粒料泵送入环形体积，然后如所述将该环形体积密封。该粒料的″定时释放″产生排出气体，该排出气体在环形体积中以高水平被捕集。

二元流体体系

在另一个实施方案中，第二流体体系是包含两种液体的二元流体体系，该两种液体具有负共混体积系数。所谓的负共混体积系数是指具有此种性能，即当将这两种液体共混在一起时共混液体的体积小于这两种液体在共混之前的总体积。具有这种特定性能的实例流体包括醇与含水流体的共混物。实例醇包括C₁-C₈醇；优选的醇是甲醇、乙醇、丙醇和丁醇。在这种情况下，含水流体可以是安装套管柱之后存在于环形体积中的钻井流体。

维持该醇为独立相直到密封该环形体积是重要的(如所述)，然后形成含第二液体的共混物。在一个实施方案中，将醇作为较纯的柱塞流泵送入环形体积；其中醇相与水相的显著混合在密封该环形体积后在该环形体积内发生。或者，用任何可以缓慢溶于截留液的材料，例如可缓慢溶解的聚合物包封醇，以使使这两个相的混合足够延迟以确保混合在密封该体积后发生。可缓慢溶解的聚合物的非限制性实例包括聚(乙烯醇)、羧甲基纤维素和明胶。

因此，在热流体生产期间将环形体积加热之前或期间，可缓慢溶解的聚合物溶解并且醇相与水相混合，导致该环形体积内的压力比不如所述那样添加该醇相而存在的压力低。在进行这一实施方案时，添加占环形体积中液体总体积至多90％，优选5vol％-80vol％，更优选10vol％-50vol％的醇相，该具体量取决于具体应用。

实施例

实验室实验证实在乳液聚合方法中甲基丙烯酸甲酯的混合物的有效的体积收缩，并且通过下面的实施例，该方法证明在保持体积恒定，同时监测加热循环期间的压力的设备中(实施例1)，和在使用500英尺试验井的现场试验中(实施例2)有效。

实施例1

在200psig起动压力下用含水流体填充井下压力计。然后密封该井下压力计以阻止流体从该容器逃逸，并从24℃加热到100℃。如图3所示，该井下压力计内的流体的压力在加热循环期间增加到14,000psig。

在200psig起动压力下用水性乳液流体填充上面使用的井下压力计，该水性乳液流体包含20％按体积装载的甲基丙烯酸甲酯(含偶氮型引发剂)。然后密封该井下压力计以阻止流体从该井下压力计逃逸，并从24℃加热到100℃。如图3所示，该井下压力计内的流体的压力增加到大约3000psig，但是增加率比仅含水流体低。在大约70℃，引发甲基丙烯酸甲酯单体的聚合，并且该井下压力计内的压力降低到小于该井下压力计内的初始压力。

实施例2

还进行比例增大的现场试验。将水用于在由7英寸和9又5/8英寸套管约束的环形空间内的500英尺深试验井。在放置流体后，将该环形空间预加压到500psig，然后通过在该7英寸管内部的循环热水加热。在2个小时的期间内，温度输入是190℉，并且温度输出是160℉(归因于下孔穴(down-hole)地层吸收热)。所得的压力为大约2100psig(图4)。

将如实施例1所述的类似乳液流体用于相同的试验井，该流体包含20％按体积装载的甲基丙烯酸甲酯(含偶氮型引发剂)。在初始500预加压之后的数分钟内，注意到，压力已经降至零，所以再次将该环带加压至500psig。经2个小时，温度如前所述升高，并且注意到，输入与输出温度几乎相同，这是由于聚合反应产生的热。压力再次降低到零，然后缓慢地增加到240psig的最终稳定压力(图4)。压力的显著下降归因于单体至聚合物的收缩。分析在实验结束时收集的样品的单体和聚合物。证实存在痕量单体(＜1％)，并且聚合物具有接近3百万的重均分子量。

Claims (22)

1.在约束体积内控制压力的方法，包括： 

a）提供含有第一流体的体积，在该体积内该第一流体具有第一压力和第一温度； 

b）用第二流体替换该体积内的至少一部分第一流体，所述第二流体包含至少一种无水无机材料； 

c）将该体积密封以产生约束体积； 

d）将在该约束体积内的流体加热，以使该流体处于第二压力和第二温度； 

其中预先选择该第二流体以使该第二压力低于当该约束体积仅含第一流体时在第二温度下的压力。 

2.根据权利要求1的方法，其中该体积是环形体积。 

3.根据权利要求2的方法，其中该环形体积通过井眼内的两个同心套管柱限定。 

4.根据权利要求1的方法，其中该第一温度为0°F-100°F。 

5.根据权利要求1的方法，其中该第二温度在50°F-300°F的范围内。 

6.根据权利要求5的方法，其中该第二温度在125°F-250°F的范围内。 

7.根据权利要求1的方法，其中在步骤（c）的约束体积内的流体处于第一压力和第一温度。 

8.根据权利要求1的方法，其中该第一压力是步骤（a）的体积内的第一流体的最大压力，其中该第二压力是步骤（d）的体积内的流体的最大压力。 

9.根据权利要求1的方法，其中步骤（a）的体积内的流体在第一温度下的第一压力处于该体积内的选取位置，其中步骤（d）的体积内的流体在第二温度下的第二压力处于该体积内的选取位置。 

10.根据权利要求1的方法，其中该无水无机材料选自硫酸钙、氧化钡、氧化钙、沸石3A、沸石4A、沸石13X和沸石Y。 

11.根据权利要求1的方法，其中该至少一种无水无机材料包封在可缓慢溶解的聚合物中。 

12.根据权利要求11的方法，其中该可缓慢溶解的聚合物选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素和明胶。 

13.在井眼的套管结构内控制压力的方法，包括： 

a）提供环形体积，该环形体积由井眼内的两个套管柱限定并且在该环形体积内的选取位置含有具有第一压力和第一温度的第一流体； 

b）用第二流体替换该环形体积内的至少一部分第一流体，所述第二流体包含至少一种无水无机材料； 

c）将该环形体积密封以产生约束体积； 

d）加热该约束体积内的所述流体，以使在选取位置所述流体处于第二压力和第二温度； 

其中预先选择该第二流体以使在该选取位置的第二压力比当该约束体积在第二温度下仅含第一流体时在该约束体积内的选取位置处的压力低。 

14.根据权利要求13的方法，其中该第二压力比第一压力高至多50%。 

15.根据权利要求13的方法，其中该第二压力比第一压力高至多30%。 

16.根据权利要求13的方法，其中该第二压力比第一压力高至多15%。 

17.根据权利要求13的方法，其中该第二压力等于第一压力。 

18.在井眼的套管结构内控制压力的方法，包括： 

a）提供环形体积，该环形体积由井眼内的两个套管柱限定并且在该环形体积内含有在第一温度下具有第一最高压力的第一流体； 

b）用第二流体替换该环形体积内的至少一部分第一流体，所述第二流体包含至少一种无水无机材料； 

c）将该环形体积密封以产生约束体积；和 

d）将该约束体积内的流体加热到比该第一温度高的高温，以使至 少一部分该流体处于第二最高压力； 

其中预先选择该第二流体以使该第二最高压力比当该约束体积在该高温下仅含第一流体时该约束体积内的最高压力低。 

19.在约束体积内控制压力的方法，包括： 

a）提供包含处于第一压力和第一温度下的第一流体和第二流体的体积，所述第二流体包含至少一种无水无机材料； 

b）将该体积密封以产生约束体积； 

c）将该约束体积内的第一流体和第二流体加热，以使该第一流体和第二流体处于第二压力和第二温度； 

其中预先选择该第二流体以使该第二压力低于当该约束体积仅含第一流体时在第二温度下的压力。 

20.在井眼内的环形体积内控制压力的方法，包括： 

a）用第一流体填充该环形体积； 

b）在该环形体积内用第二流体替换至少一部分第一流体，该第二流体包含无水无机材料；c）密封该环形体积；和 

d）加热密封的环形体积内的所述第一流体和所述第二流体到升高的温度以使所述第一流体和所述第二流体在该升高的温度下处于低于当密封的环形体积在该升高的温度下仅含所述第一流体时的压力。 

21.根据权利要求20的方法，其中该无水无机材料选自硫酸钙、氧化钡、氧化钙、沸石3A、沸石4A、沸石13X和沸石Y。 

22.根据权利要求20的方法，其中该无水无机材料选自钨酸锆和钼酸锆，该无水无机材料具有负的热膨胀系数。