发明内容

本发明的目的在于弥补或减少现有技术的至少一个缺点，或者至少提供一种对现有技术有用的替代方案。该目的通过在以下说明书和所附权利要求中指定的特征来实现。本发明由独立专利权利要求限定，而从属权利要求限定本发明优选的实施方案。

在第一方面，本发明涉及一种使钻井液成为非侵入性钻井液的组合物，该组合物包含：第一组分，包括划痕硬度高于2Mohs的颗粒；和第二组分，包括选自粉碎的酸豆(Tamarindus indica)种子、粉碎的潺槁木姜子(Litsea glutinosa)树皮或粉碎的小冠薰(Ocimum tenuiflorum)的颗粒。酸豆在本文中也被称为罗望子种子(tamarind seed)，潺槁木姜子树皮在本文中也被称为潺槁树(jiggat)，小冠薰也被称为圣罗勒(Ocimum sanctum、holy basil、tulasi和tulsi)，并在本文中称为tulsi。颗粒可以通过例如研磨或压碎来制备。

莫氏硬度标尺上的划痕硬度为2可对应于维氏硬度标尺上大约61kg/mm²的硬度。莫氏划痕硬度是本领域技术人员已知的标准实用方法。简而言之，为了确定未知材料的划痕硬度，将其与具有已知划痕硬度的其他不同材料进行刮擦。如果问题中的未知材料出现凹痕，则其划痕硬度低于其他材料。否则，如果其他材料出现凹痕，则未知材料的划痕硬度高于其他材料。这可以用几种其他材料重复，以确定具有所需精度的划痕硬度。例如，核桃壳或杏仁壳的划痕硬度通常为3-4Mohs，而碳酸钙的硬度为3Mohs(方解石)，被认为是一种软矿物。2Mohs的硬度参考是石膏(CaSO₄·2H₂O)。因此，当第一组分的颗粒在石膏上刮擦时，石膏会凹陷而不是第一组分的颗粒。第一组分的硬度通常可低于8.5Mohs，因为较高的硬度值可能导致第一组分的颗粒与其他颗粒的接触性较差。

组合物通常可以是添加剂的形式，用于添加到流体如钻井液中。如果将组合物混入流体(例如液体)中，并对流体施加压力以试图将其压过多孔或可渗透材料，则组合物的组分形成覆盖材料的多孔开口的薄的不渗透膜或隔膜。这基本上是钻井过程中井中的情况，其中地层是多孔的或可渗透的，并且由于上述原因将钻井液泵入井中。通过在钻井期间在钻井液中使用该组合物，钻井液将是非侵入性钻井液。施加到流体上的压力将导致在井的多孔或可渗透部分的表面上形成不渗透膜，从而在膜形成后基本上没有流体损失到地层中。因此，代替现有技术所教导的通过颗粒进入所述微裂缝来堵塞地层的微裂缝，本发明产生的膜将覆盖微裂缝的开口部分并通过施加到钻井液的压力保持在适当位置。因此，该组合物将特别适用于用于钻探生产区的钻开液，其中重要的是孔隙或微裂缝不被永久堵塞。这样，在井的钻井完成并且对钻井液的压力移除后，生产区地层中的压力将大于井中的压力，从而可以自动地推出并去除膜。因此通常不需要任何额外的处理步骤来去除膜，例如使用酸。然而，如果需要，仍可使用额外的处理步骤。例如，大部分膜可以使用NaOCl溶解，如果没有达到所需的溶解度，任选地随后使用HCl。由该组合物制成的膜在5wt％NaOCl和随后的16wt％HCl中的溶解度通常超过90wt％。这可用于溶解井内的膜。因此，在钻开钻井液中使用该组合物可导致降低地层损坏和增加回流渗透率，从而增加井的产量。在生产区钻井期间，操作员可以倾倒所有可能含有脏泥浆的钻井液，然后用新的非破坏性和非侵入性钻开液代替，因为大多数常规泥浆系统的回流渗透性差。

已经观察到基于本发明的组合物提供了比现有技术NIF能够承受更高压力的膜。膜形成的机制被认为是第一组分和第二组分的互锁，其中第一组分的颗粒起到为膜提供强度的桥接剂的作用，而第二组分的颗粒起到与第一组分的颗粒连接到一起的作用。已经观察到第二组分的颗粒提供比现有技术已知的更大的粘合作用。这种作用被认为是由于第二组分的颗粒中生物分子的特定类型和分布。组内大分子的种类和分布可能不同，因此作用机理可能略有不同。然而，当混合到水中并经受增加的压力时，第二组分的所有颗粒均已显示提供具有良好性能的膜。据信，这种增加的压力，例如在井下，使第二组分的颗粒变形，从而使得第一组分和第二组分的颗粒之间的接触面积和摩擦力可能增加。当压力增加时，膜甚至变得更不能使流体透过和更坚固。

第二组分颗粒的粘合作用将使颗粒更容易粘在一起并形成坚固而柔韧的膜。已经观察到，粘合性能随着温度的升高而增加，尤其是当温度达到约55℃时。这种粘合性的增加可以称为组分的活化，这可以例如通过将它们悬浮的流体中的温度升高至例如高于50℃来实现。除了温度之外，颗粒在流体中的时间也是组分活化的重要因素。这是因为第二组分的颗粒的粘合作用通常是在颗粒水合之后获得。在钻井液中的较长时间增加粘合性能，直到达到最大粘合性。粘合作用可以是以粘膜粘附、树胶、胶凝或成膜特性的形式。此外，需要增加压力以形成膜。因此，可以改变钻井液的特定成分、温度、水合时间和压力以获得特定井的最佳参数。此外，第一、第二和任何其他组分可基于特定性能例如压缩性、柔韧性、溶解度、微密封效率和粘合性而改变，以针对特定情况优化钻井液。粘合作用可能是由第二组分中的植物化学成分引起的，其中多于20％的组分可能是蛋白质、酸、油或非纤维碳水化合物，它们或者不溶于水，或者在水中溶解度低。通常是在第二组分的水合状态而不是在干燥状态下观察到粘合作用。

该组合物可以以每桶4-10磅(ppb)的浓度应用于钻井液中，用于预防性处理钻井液对可渗透地层或裂缝地层的损失，以将钻井液转化为非侵入性流体。1ppb是2.85kg/m³，所以4-10ppb对应于11.4-28.5kg/m³。或者，该组合物也可以以高达30ppb，相当于85.5kg/m³的浓度使用，作为丸剂或作为发生后密封损失的清扫剂。通过将钻井液中的浓度保持在30ppb以下，组合物的颗粒将基本上保持分散而没有沉淀和堵塞设备部件的风险。然后，在施加差压后，在微裂缝上形成膜。由于在钻井期间组合物的颗粒在井中形成膜，通常可能需要在钻井时添加更多的组合物以保持组合物的浓度并由此保持钻井液的成膜特性。

因此，基于本发明的组合物在分散在诸如钻井液的溶液中时，尤其是在承受增加的压力和温度时，可以具有成膜性能。通过使用该组合物不需要在钻井液中存在额外的固体便可将其转化为非侵入性钻井液，因此钻井液也可以是不含固体的钻井液。在本讨论中，根据定义，无固体钻井液是不使用颗粒作为加重材料(例如重晶石、赤铁矿、碳酸钙)的钻井液，或者其中不需要在钻井作业期间成为钻井液一部分的固体(如细钻屑和粘土)来防止钻井液泄漏。然而，钻井液中任何固体的存在不会妨碍或降低含有该组合物的流体的成膜性能。在某些情况下，可以避免使用套管柱，因为非侵入性钻井液可以承受超过4000psi的压差。这将显著降低油井成本。钻井液中固体的存在，例如加重材料或细钻屑，可能进入地层，并可能降低渗透性，从而降低地层在操作阶段按预期传输流体的能力。这种类型的钻井液引起的地层损坏可以显著降低后续产量或可注入性，从而降低井的价值。本发明可用于在井眼壁上有效地形成临时密封，从而减少钻井液引起的地层损坏并更好地保持地层渗透率和井的价值。本发明产生的临时密封膜可以通过反向压力、破坏剂溶液的施加和/或酸的施加而去除。根据应用，如果不希望移除，密封膜也可以永久地固定在适当的位置，例如作为固井的基础。

该组合物可以另外包含具有各向异性的机械性能或形状以及至少在纵向El上大于2000MPa且小于40000MPa的弹性模量的第三组分。第三组分的各向异性的机械性能将促进弹性变形，由此这些颗粒将加强由第一组分和第二组分的颗粒形成的膜并有助于密封。因此，第三组分的作用将是使膜对压差甚至更灵活，使得膜能够承受甚至更高的压力而不破裂。第三组分的实例可以是西部白松(Pinus monticola)，其通常在纵向上具有8600MPa左右的弹性模量，或欧洲山杨(Populus tremula)，其弹性模量在8000MPa左右。

第二组分的颗粒都是可生物降解的，并且第一组分和第三组分也可以有利地是可生物降解的或生物源的，因此该组合物不会污染环境。组分可以包括例如植物部分，例如植物纤维。植物纤维可以是生物聚合物，例如多糖。例如，第一组分和第三组分可以包括纤维素，因为纤维素纤维的分子结构可以提供上述的一些有益特性。此外，纤维素是可生物降解的，并且可以容易地获得包含纤维素的材料，例如作为食品生产的废品。对于特别有益的机械性能，第一组分和其他组分中的至少一个的大部分可以是纤维素。

第一、第二和第三组分可能能够暴露于高达至少150℃的温度而不失去产生耐压膜的能力，并且对于高达200℃的某些组合而不失去产生耐压膜的能力。颗粒因此将特别适用于钻井液中，因为井中的温度可能非常高。

形成膜而不是阻塞单个微裂缝也减少了现有技术中非侵入性流体的桥接颗粒的尺寸分布需要与裂缝的尺寸分布互补的问题，因为将覆盖具有更宽的尺寸分布的微裂缝形成膜。因此，在钻井过程中需要较少的微裂缝知识。例如，颗粒可以遵循钟形或正常尺寸分布，其中颗粒，或例如至少90％的颗粒可以通过60目筛网的筛子，即250μm×250μm的开口，而颗粒或至少90％的颗粒不会通过450目筛网的筛子，即32μm×32μm的开口。该粒度范围将适用于在具有典型尺寸的微裂缝上形成膜，但其他粒度范围可能适用于其他尺寸的微裂缝。在本申请中，当提到例如最大250μm的尺寸，这意味着颗粒通常可以通过开口为250μm×250μm的筛网。例如，可以选择颗粒的尺寸分布，使得90％的颗粒的尺寸最大为180μm(即可以通过具有80目筛网的筛子)。这样做的优点是，在钻井过程中，颗粒将随后通过通常用于固体控制系统的80目筛网，从而将保留在活性系统中而不是被筛除。颗粒也可能具有最大为150μm的最大值。颗粒可具有合适的尺寸分布，例如其中约75％的颗粒尺寸小于150μm但大于20μm，而5％小于20μm。通过这种方式，较小的颗粒将形成良好的密封，而大约20％的较大颗粒的存在将有助于在较大的裂缝上形成膜。如果裂缝较大，则可选择较大颗粒的尺寸分布。如果在组合物中使用相对宽的颗粒尺寸分布，膜将更容易适应形成用于密封裂缝或孔喉的网络，并连接具有不同尺寸和形状的颗粒和地层。大多数颗粒制备方法，例如组分的研磨，自然会导致较宽的粒度分布。因此组合物的制备简单。

包含第一、第二和第三组分的混合物的组合比重可以在0.7至1.1的范围内。这种组合的低比重可促进在钻井液中的应用而不增加流体的比重，并因此避免在井眼中产生增加的静水压力。结合这种钻井液作为井眼强化材料的功能，组分的低比重可以促进使用现有技术无法实现的大位移钻井和地层钻井。

由第二组分的颗粒提供的有利粘合作用可能是由于特定提取物例如萜烯、树脂酸、脂肪酸、氨基酸聚合物、油、木质素、单宁、酚类和/或非淀粉多糖的显著存在。例如，酸豆种子通常可以含有可以被描述为天然聚合物、天然树胶、酸豆种子多糖(TSP)、非纤维碳水化合物、非淀粉多糖、糖醛酸和/或己糖的高浓度材料。与水结合，这可以产生溶胀、胶凝、增稠或充当粘合剂的效果。除了通常存在于可溶性低分子量糖和淀粉之间的氢键相互作用之外，一种或多种上述提取物与纤维素(也将包含在第二组分的颗粒中)的组合的存在可能诱导共价键，例如蛋白质分子中的糖苷键和/或酰胺/肽键。这种效果暴露于高温下可能增加。这种分子键可能比通过水合纤维素脱水在纤维素颗粒之间产生的氢键更强。由于存在具有较低亲水亲油平衡(HLB)值的有机分子而产生的疏水性阻止提取物溶于水。由于它们在水中的部分溶解度，这些提取物仍包覆在纤维素表面上，并起到附着纤维素颗粒的作用。因此，通过上述提取物增加不同纤维素颗粒之间的结合可有助于由组合物形成的膜的有利特性。已知有机酸和低分子量糖的存在在食物中产生粘性，而纤维素基多糖不显著有助于粘性。粘附也可以通过粘附在纤维素颗粒上或在颗粒上形成膜的木葡聚糖链存在。

通过调整流体中组分的组成和浓度，还可以产生不同于普通膨润土的增粘剂。现有技术的堵漏材料描述了纤维素基颗粒，其中通过水介质在纤维素颗粒之间形成氢键。

当应用于钻井液中时，第三组分可具有对第一组分和/或第二组分的粘合性质。第三组分的切向弹性模量Et通常可以小于纵向弹性模量El的1/10，径向弹性模量Er通常可以是小于El的1/5。具有这种机械性能的材料可以通过简单的研磨过程形成合适的各向异性颗粒，因为强度较低的尺寸将被研磨得更多。这种材料可以是例如含有纤维素的有机或植物基材料，通常是木材。例如，第三组分的颗粒的最长尺寸可以是颗粒在垂直于最长尺寸方向的方向上的最短尺寸的三倍以上。以这种方式，第三组分的颗粒将在膜内延伸穿过相对长的长度，从而提供更大的强度。

组分的制备可以以不同方式进行，以获得特殊效果并降低过程中的能量消耗。例如，可以用不同的研磨机或锤子加工材料以产生所需的尺寸和形状，从而产生材料的功能性。在研磨之前或之后，材料的热处理或煅烧可能影响组分实现在钻井液中的特定性能，从而实现性能。在粉碎前冷冻干燥组分可能产生高质量的颗粒。可以保持颗粒的原始形状，并且在再水合的颗粒中没有发现冷冻干燥过程的缺点。冷冻干燥可能特别有利于天然纤维材料的加工和保存，并且它可能具有额外的优势，即细菌不会转移到最终组合物中。

该组合物可以例如包含15-99％的第一组分，例如40-95％，和1-30％的第二组分，例如5-25％。已经发现，当用于钻井液中时，第一组分和第二组分的这种浓度提供了良好的成膜性能。该组合物可以例如包含至多80％，例如至多40％的第三组分。

当将本发明的组分混合到钻井液中时，使用API标准方法使用诸如Ofite 900粘度计的设备获得的流变测量值可能产生误导性结果。这可能是由于摆锤和套筒之间的相对距离相对于本发明中使用的组分的尺寸而言较小，从而产生不正确的读数。然而，实验室测试表明，本发明的颗粒并没有大到堵塞流变仪的环形间隙，然而，甚至更大的环形间隙可能产生更类似于流体在井中循环时的流变特性的读数。尽管可能不精确，但在将本发明添加到KCl聚合物钻井液后混合钻井液时，来自Heidolph Torquemaster混合器的扭矩读数显示扭矩降低。这进一步证明粘度计中较大的环形间隙可以提供更真实的流变学数据。这可能是由于滚子轴承效应或润滑效应。

本发明中组分的较高浓度可在粘度计中产生较高的粘度读数，但当应用于其中流体体积或流动条件复制典型井的系统时仍可具有良好的润滑性或滚子轴承效应。

第一、第二和/或第三组分中的至少一个可在混合到钻井液中之前进行预处理，使得它们仅在满足所需条件时才将具有特定性能。例如，可以对颗粒进行预处理，使得它们仅当它们在井中经受更高的压力(例如高于350巴)时才开始粘附在一起。该机制可以例如是用壳覆盖颗粒，当由于井下较高的压力或较高的压差导致颗粒受到较高的应力时，壳会破裂并暴露未处理的内部。因此，在钻井过程中，颗粒不会粘在设备或井上部的井壁上。颗粒还可以包含具有表面电荷的自粘涂层表面，其允许颗粒在没有压差的情况下彼此结合。颗粒可以具有宽的粒度分布，这可以允许钻井液在表面上形成连续的膜，因此孔隙压力传递非常有限。

与使用例如碳酸钙作为桥接剂相比，使用包含天然植物纤维如纤维素的颗粒作为第一组分作为桥接剂可能是有利的。碳酸钙通常是相对易碎且不可压缩的无机矿物，因此它通常会在井中循环过程中分解。因此碳酸钙颗粒的尺寸和尺寸分布可能变得更小，由此颗粒将不能形成密封和承受高压。然而，由于诸如纤维素纤维的纤维可以是柔性的、高度可压缩的、略微可膨胀的和部分可挤出的，包含这样的纤维的材料可形成快速密封隔膜以最小化固体渗透到地层中。因此，包含纤维素的微粉化纤维可以在比常用的无机渗漏损失添加剂低得多的浓度下有效地形成密封。含有纤维素的材料的韧性可以改善颗粒保持原始粒径的能力，并可以减少机械磨损和降解，如使用更脆的材料时所经历的。

如果颗粒暴露于钻井液中的水中，则包含纤维素的颗粒可自然吸水并膨胀。水的存在可以中和纤维素的小正电荷和负电荷，从而使颗粒缠结或互锁。在作为非侵入性流体产品应用时，第一、第二或第三组分的颗粒可以由于井眼壁周围的压差而被挤压在一起。在此过程中，水可以被挤出，并且可以通过缠结或互锁的颗粒产生坚固的膜。除去水后，可以在颗粒之间形成氢桥或其他类型的键，例如共价键、范德华键或其他键，这进一步增强了膜。

该组合物也可以与粘土结合使用。粘土、纤维素和天然聚合物都可能具有小的天然正负电荷，由于它们的偶极性质，它们产生与水分子结合的高亲和力。这种小的负电荷和正电荷可以与钻井液中存在的钻屑或粘土形成结合。这进一步产生了益处，其中根据本发明的组合物的颗粒可以捕获细小的低重力固体并通过背负机制将它们除去，由此API 100目筛网足以过滤掉固体。由于这些颗粒可以消除或减少对更细筛网的需求，因此与API 170或200筛网相比，API 100的电导率大大提高。它们被广泛用于几乎所有类型的钻井液系统中的渗漏控制。由于羟基的存在，天然纤维素纤维可能展现出高度极性的表面。纤维素纤维表面的高极性是其亲水行为的原因，这可能导致纤维膨胀。为了进一步增加纤维素纤维之间的界面结合，可以对纤维进行表面处理以改善其性能。即使使用实施例中所述的小粒径，我们也看到，当以正确的浓度应用时，该系统可以密封0.5mm或1mm的裂缝。颗粒的处理可以通过暴露于高温或低温、机械粉碎处理例如锤击、切割或研磨，或通过化学处理。对于技术应用，根据本发明的颗粒的表面可以以其zeta电位为特征。例如，纤维表面的最大zeta电位(通常出现在碱性范围内)表明它们的亲水性或疏水性。由于酸性表面基团，zeta电位的变化与天然纤维的吸水能力之间存在线性关系。

本发明的组合物可以与用于产生非侵入性流体的现有技术材料、现有技术堵漏材料或固井材料组合。该组合物对于在钻井耗尽的储层、加压煤时以及在相同钻井顺序中存在高压地层的情况下进入常压可渗透地层时遇到的不稳定性可能特别有用。可以是本发明材料的一部分的带电元件利用粘土的行为和特性形成跨越孔喉、裂缝或滤饼的最终密封。实际上，可能导致使用精细分散的粘土的粒度分布比申请人已知的当今可用的任何常规材料更不透水。跨渗透区形成的所得隔膜可防止泥浆和流体进一步侵入这些区。隔膜的物理渗透可以以几分之一毫米为单位进行测量，流体侵入或喷射损失通常小于20mm。已证明包含纤维素的桥接材料在密封方面具有弹性，并且由于纤维素的柔性性质而受井眼中的再循环和压差的影响较小。

可以用天然种子油处理组分以提供具有抗菌作用的所述组分。

对钻井液中浓度为4-10lbs/bbl的组合物的测试表明，本发明可有效地形成膜并密封裂缝和渗透性地层，其中渗透率可以在10mDarcy至150Darcy的范围内。

该组合物还可以与较粗的材料、薄片、颗粒或纤维结合，其中附加组分的粒度可以是例如0-1000μm或在0-10000μm的范围内，或其他较粗的颗粒范围，其中较粗的颗粒可在较大的孔径裂缝中产生桥接，并且本发明用于产生朝向较粗组分的桥接网络的精细密封或膜。

第一组分和第三组分可以通过材料(例如包括在以下列表中的那些)的加工产生，，以实现对每个所述组分所描述的所需机械性能和化学性能以及它们的组合性能。

以下生物材料或生物源材料可能适合作为第一组分或第三组分：

·壳(shell)、谷壳(husk)和外皮(hull)，例如杏仁、腰果、可可、椰子、咖啡、燕麦、花生、山核桃、大米、贝壳或胡桃的坚果壳

·水果、树皮、豆类、果皮、豆荚和种子，例如香蕉、豆类、角豆、印楝、橙子或豌豆，

·木材和茎，例如山毛榉、玉米芯、橡木、松树、云杉或美国梧桐。

在第二方面，本发明涉及一种包含根据本发明第一方面的组合物的非侵入性钻井液。非侵入性钻井液可以是钻开液，例如无固体钻开液，其通常用于钻探井眼的储层部分。非侵入性钻井液可以是油基、水基或合成基钻井液，并且可以是加重或未加重的钻井流体。

在第三方面，本发明涉及一种用于钻探井眼的方法，其中该方法包括在钻探至少一部分井眼时使用根据本发明的第二方面的非侵入性钻井液的步骤。该部分通常可以是储层部分。由于由包含该组合物的钻井液产生的膜通常覆盖孔隙的开口而不是阻塞它们，所以当释放对钻井液的压力时，该膜可以容易地剥离。当在储层部分中钻孔时，储层中的压力可有助于去除膜，从而保持储层部分的渗透性。该方法还可以包括用包含次氯酸钠的液体处理井眼部分的步骤。以防部分膜没有完全去除，这种处理可以导致这些部分的全部或大部分再次溶解或分散。次氯酸钠的浓度可以例如为约5wt％。该部分可以例如是储层部分。如果膜的小部分仍然阻塞该部分的部分，则在用包含次氯酸钠的液体处理该部分井眼的步骤之后可以用盐酸溶液处理该部分井眼。在这可能甚至更多的任何膜剩余的膜部分可以被溶解或分散，这对于井眼的储层部分特别有利，因为可以保持渗透性。盐酸中氯化氢的浓度例如可以是约16wt％。

下面描述在附图中示出的本发明的方面，其中：

图1a显示了未施加压差的典型现有技术非侵入性钻井液的组成；

图1b显示了施加压差后图1a的现有技术非侵入性钻井液的密封机制；

图2a显示了在施加压差之前分散在钻井液中的本发明实施方案的组成；和

图2b显示了施加压差后图2a的钻井液的预期密封机制。

图1a和1b展示了典型的现有技术非侵入性钻井液1的密封机制，该非侵入性钻井液1包括桥接剂2和来自钻井液的附加固体颗粒3。桥接剂2和固体颗粒3进入井壁5中的裂缝4，并在裂缝4的开口处形成相对紧密的密封6(如图1b所示)。一些固体颗粒3进入裂缝4。固体颗粒3可能导致裂缝4的额外堵塞，这在例如井的生产区可能是不希望的。

图2a和2b显示了根据本发明的组合物的实施方案的预期密封机制。该组合物包含第一组分7、第二组分8和第三组分9的颗粒。三种组分的颗粒互锁以形成跨越裂缝4的膜10(如图2b所示)。第一组分7的颗粒起到桥接剂的作用，第二组分8的可变形颗粒变形以密封小孔，第三组分9的颗粒与钻井液的其他颗粒互锁，为膜10提供强度和弹性。所得膜10因此是不透流体的、柔韧的并且能够承受比现有技术的非侵入性流体高得多的压力。此外，可以在不存在钻孔固体或加重材料的情况下产生所得膜10。