专利名称：提供动态瞬时压力条件以改善射孔特性的方法
提供动态瞬时压力条件以改善射孔特性的方法技术领域一般地，本发明涉及在井筒中提供动态瞬时压力状态(dynamic transient pressure condition)以改善形成于储层中的射孔的特性。
背景技术：
为了完井，对邻近井筒的一个或多个地层进行射孔，以允许各地层的 流体流入生产井到达地表或者允许将注入流体施加到所述地层中。可将射 孔枪管柱(perforating gun string)降至油井中并触发射孔枪，从而在套管上形 成开口并使射孔延伸到周围地层中。射孔孔道形成的爆炸性使地层的砂粒散落。在各射孔孔道周围形成一 层渗透性低于原始地层基岩(virgin formation matrix)的"震动损害区(shock damaged region)"。该过程还可造成充满岩石^5争片的孔道，岩石碎片中混杂 着射孔弹碎片。损害程度以及孔道中的松散碎片量会削弱生产井的产能或 注入井的注入能力。为获得清洁的射孔并消除射孔损害，可进行负压射孔，即在井筒压力 低于地层压力时进行射孔。人们已经采用斯伦贝谢的PURE(Perforating for Ultimate Reservoir Exploitation)技术，以在形成射孔之后立即提供瞬时负压， 进而降低或消除射孔损害并提高产能或注入能力。然而，已证实在某些情况下仅使用瞬时负压不能提供最佳射孔。发明内容一般地，根据一种实施方案，用于油井的方法包括在井筒层段(wellbore interval)中形成瞬时过压状态(transient overbalance condition),使得井筒层段 的压力大于周围地层中的储层压力，其中形成瞬时过压状态致使地层的近 井筒区域的压力升高。井筒层段中的压力以一定的速度降低，形成相对的 负压状态，其中井筒层段中的压力低于地层的近井筒区域中的压力但高于 储层压力。
一般地，根据另一种实施方案，用于油井的方法包括利用具有可膨胀 部件的装置在井筒层段中形成过压状态，其中使可膨胀部件膨胀以产生瞬 时过压状态。形成过压状态之后，利用该装置降低井筒层段中的压力，以 在井筒层段和周围地层的近井筒区域之间形成压差。根据以下说明、附图和权利要求书，其它或可替换的特征将变得显而 易见。
图1图示了根据实施方案的用于在井筒层段周围的地层中形成射孔的工具管柱(tool string)的部分示范性排列。图2示例使用图1所示的工具管柱中的控压装置形成压力脉冲。图3-5示例根据一种实施方案形成瞬时过压状态的动态过压腔装置 (dynamic overbalance chamber device)的实例。图6为根据一种实施方案使用工具管柱形成的井筒压力和近井筒地层 压力随时间变化的曲线图。图7示例具有调压室(surge chamber)的射孔枪。
具体实施方式
在随后的说明中，阐述大量细节以供理解本发明。然而，本领域技术 人员应当理解的是，可在没有这些细节的情况下实施本发明，并且可对所 述实施方案进行各种改变或改进。如本申请所用，在本说明书中使用表示给定点或要素以上或以下的相 对位置的术语"以上，，和"以下"、"向上"和"向下"、"上部"和"下部"、 "向上地，，和"向下地"或者其他类似的术语，以更清楚地说明本发明的 一些实施方案。然而，当应用于倾斜或水平并筒所用的设备和方法时，这 些术语可指由左向右、由右向左或合适的斜向关系。根据一些实施方案，使用具有可膨胀部件的动态过压腔(DOBC)装置， 使所述可膨胀部件膨胀，从而在井筒层段中形成瞬时过压状态。在一些实 施方案中，可在射孔枪中的聚能射孔弹(shaped charge)引爆之前形成瞬时过 压状态，使得在周围地层中形成射孔孔道的过程中，迫使井筒流体进入射 孔，从而提高射孔周围的孔压。
还可使用DOBC装置，通过使DOBC装置的可膨胀部件收缩或突然停 止DOBC装置可膨胀部件的膨胀，在井筒层段和周围地层之间形成压差。 在一些实施方案中，DOBC装置中可膨胀部件的收缩可使井筒层段中压力 的降低速度快于周围地层压力。因此，存在一段时间，在这段时间内井筒 层段具有低于周围地层的压力，从而有效地提供相对负压状态，其中至少 在地层的近井筒区域中，井筒层段中的压力低于周围地层的压力。地层的 近井筒区域是指邻近井筒的地层区域。在井筒层段和至少地层的近井筒区 域之间形成压差的能力解决了下述问题例如当储层压力相对较低时不易 形成真正的负压状态。有效地，根据一些实施方案的方法利用DOBC装置允许地层的近井筒 区域增压至较高的压力，使得随后井筒层段中的压力以快于地层的近井筒 区域的速度下降，从而形成相对负压状态，即井筒压力低于近井筒区域中 的地层压力。真正的负压状态为井筒层段压力低于周围储层压力的条件。 利用DOBC装置形成的相对负压状态提供相对于增压近井筒区域的井筒层 段负压，即储层压力可实际等于或低于井筒层段压力。图1示例显示射孔工具一部分的示范性排列，该射孔工具包括射孔枪 102、射孔枪102之上的第一 DOBC装置104和射孔枪102之下的第二 DOBC 装置106。在替换性实施方案中，可仅使用一个DOBC装置(或两个以上的 DOBC装置)。射孔枪102包括聚能射孔弹103,发射时该聚能射孔弹103形成延伸进 入井筒层段110周围地层108的射流(perforating jet)。在图1所示的示范性 排列中，在触发射孔枪102之前，起动DOBC装置104和106。在一种实 施方案中，可同时或基本同时(短于DOBC装置和射孔枪102之间起动间隔 时间的一段预定时间内)起动DOBC装置104、 106。DOBC装置104、 106的起动(使DOBC装置104、 106中的可膨胀部件 膨胀)致使在井筒层段110中形成瞬时过压状态。经过预定的延迟时间之后， 触发射孔枪102(在瞬时过压状态存在下)。由DOBC装置104、 106形成的 瞬时过压状态的作用在于使地层108的近井筒区域112增压(换言之，相对 于储层压力，使近井筒区域112的压力提高)。射孔枪102起动之后，井筒 层段110的压力降低(例如通过使DOBC装置104、 106中的可膨胀部件收 缩或突然停止所述可膨胀部件的膨胀)，进而在井筒层段110和至少周围地
层108的近井筒区域112之间形成压差。这有效地提供动态负压状态，从 而可使射孔枪102形成的射孔是清洁的，并且消除或减轻射孔损害。在一些实施方案中，为增强井筒层段110中的相对负压状态，射孔枪 102可以是射孔操作之后能够(以沖击波形式)形成压降的枪。在这种实施方 案中，可利用射孔枪102中的调压室实现压降，其中最初使调压室与井筒 环境隔绝。调压室可包括常压室(atmospheric chamber)。射孔枪102的起动 和射孔枪102中聚能射孔弹103的触发导致调压室的一个或多个端口打开， 使得周围的井筒流体可快速流入调压室，从而在井筒层段110中形成动态 负压状态。在其它实施方案中，射孔枪102可以是没有调压室的标准射孔枪。在 这些实施方案中，依靠DOBC装置104、 106在井筒层段110中提供相对负 压状态。在一些实施方案中，可使用各自的起动装置120、 122和124分别起动 DOBC装置104、 106和射孔枪102。起动装置120、 122、 124可以是爆炸 箔起爆器(exploding foil initiator)(EFI)装置或桥式爆炸导线(exploding bridge wire)(EBW)装置，其中提供输入起动电压导致一部分(例如金属箔)爆炸或蒸 发，这使小飞轮(flyer)从表面切出并向爆炸部件的方向行进。小飞轮撞击爆 炸部件时将爆炸部件引爆。EFI装置可以是触发式EFI装置，其中提供触发输入以能够更容易、更 可靠地起动EFI装置。EFI装置120、 122和124可与延迟机构(delay mechanism)结合，以允许 一个EFI装置(例如与射孔枪102结合的EFI装置124)相对于至少另 一个EFI 装置(例如EFI装置120和/或EFI装置122)延迟。延迟机构允许例如DOBC 装置和射孔枪之间数毫秒的起动延迟，从而可在DOBC装置形成的瞬时过 压状态下触发射孔枪。图2图示了 DOBC装置104或106如何能够形成瞬时过压状态。DOBC 装置104或106的起动致使形成两个压力脉沖200和202，第一压力脉冲 200沿井筒208的第一方向204移动，第二压力脉沖202沿井筒208的与第 一方向204相反的第二方向206行进。这样，回到图l所示的实例，DOBC 装置106的起动会导致第一压力脉冲向上行进，及第二压力脉沖向下行进。 DOBC装置104的起动同样会导致第一压力脉沖向上行进，及第二压力脉
沖向下行进。在邻近射孔枪102的区域，两个压力脉冲(来自DOBC装置104 的下行压力脉冲和来自DOBC装置106的上行压力脉沖)合并，从而形成瞬 时过压状态。应当注意的是，仅使用一个DOBC装置(而不是图l所示的两 个DOBC装置)也足以形成瞬时过压状态。DOBC装置104或106的实例如图3所示，其中DOBC装置104或106 包括装在DOBC装置外壳302中的可膨胀部件300(其可以是可膨胀气嚢)。 可膨胀气嚢300可由允许气嚢300膨胀的聚合物或其它柔性材料制成。或 者，气嚢300可由高强度织物制成，其可以类似于汽车气嚢的方式展开。 外壳302具有允许DOBC装置内腔306与DOBC装置外部之间流体连通的 端口 304。所述端口可以是直径可控的孔或阻渗层(permeablebarrier)。可膨胀部件的另一实例可为移动金属限制体(moving metal boundaiy), 例如装有高能物质的金属罐。与可膨胀气嚢实例相比，该实例可形成持续 时间较短但幅度较大的井筒过压状态。DOBC装置104或106还包括在外壳302中与可膨胀气嚢300相邻的 压力源308。根据一些实例，压力源308可以是推进剂或增压气瓶(pressurized gas cylinder)。压力源308和可膨胀气嚢300之间设置有传压机构310。可膨胀气嚢 300的另 一 端与端塞318相连。传压才几构(pressure communication mechanism)310开启时可将来自压力源308的压力传递到可膨胀气嚢300的 内室312中，从而使可膨胀气嚢300迅速向外膨胀。例如，如果压力源308 为增压气瓶，则传压机构310可包括穿孔阀(pierce valve)314，所述穿孔阀 314在增压气瓶308上刺穿开口，以允许增压气瓶308中的压力经过穿孔阀 314和流动通道316进入可膨胀气嚢300的内室312。可通过朝着穿孔阀314 纵向移动增压气瓶，完成增压气瓶308的穿孔，使得增压气瓶的封口被破 坏。或者，穿孔阀314可具有可移动的穿孔部件，该部件起动时可刺穿增 压气瓶的封口或可膨胀气嚢300的封口 。如果压力源308为推进剂，则可略去穿孔阀314，这是因为可点燃推进 剂形成增压气，经过传压机构310将增压气传输到可膨胀气嚢300的内室 312中。图4显示增压气瓶308的配置，所述增压气瓶沿DOBC装置104、 106 的纵轴纵向移动与穿孔阀314接合，使得增压气瓶308中的增压气通过传
压机构310传输到可膨胀气嚢300的内室312中。如图4所示，可膨胀气 嚢300处于膨胀状态。图5为显示外壳302和外壳302端口 304的DOBC装置外部视图。图6为井筒压力和近井筒压力随时间变化的关系图，其中利用DOBC 装置产生压力。初期未起动DOBC装置时，井筒压力处于较低值(600)。在 某一时刻，例如通过点燃推进剂或通过将增压气瓶的增压气传输到可膨胀 气嚢的内室中，起动DOBC装置。DOBC装置的可膨胀气嚢膨胀，致使井 筒压力升高(如602所示)。虽然步骤602示意压力升高，但应当注意的是压 力升高可能更平緩，如标记为604的虚线斜面所示。井筒压力达到相当于DOBC装置产生的脉冲的高水平(606)。进一步如 图6所示，相应于井筒层段中的瞬时过压状态，使周围地层的近井筒区域 增压(如608所示压力渐增)。在某一时刻，可通过将增压气瓶从可膨胀气嚢中移出或随着推进剂燃 尽，将可膨胀气嚢内室中的增压气排出。或者，可使气嚢突然停止膨胀。 因此，进一步如图6所示，井筒压力较快速地下降(如610所示)。如610所 示，地层的近井筒区域的压降较平緩。因此，存在一段时间(如614所示)， 在这段时间内井筒层段中的压力低于地层的近井筒区域的压力，由此有效 地提供相对负压，从而可使射孔干净并可减轻或消除射孔损害。参考图7，为在射孔过程中形成负压状态，射孔枪102包括枪壳70厶 在一种实施方案中，射孔枪102为中空的载具枪(hollow carrier gun),其在 密封的枪壳702的腔718中装有聚能射孔弹103。在聚能射孔弹103爆炸过程中，聚能射孔弹103产生的射流导致在外 壳702上形成射孔口 720。在聚能射孔弹103爆炸过程中，热气充满射孔枪 102的内腔718。如果所得爆炸气压比井筒压力低一给定量，较冷的井筒流 体则被吸入射孔枪102的内腔718。经过射孔口 720的油井流体迅速加速， 使得流体迸裂为液滴，从而快速冷却内腔718中的气体。所造成的快速枪 压损失，甚至井筒流体快速排入内腔718，造成井筒压力下降。在一些实施方案中，可在射孔枪102周围提供处理液。可在井筒层段 110中、射孔枪102自身当中或一些其它容器中提供处理液。通过DOBC 装置形成的瞬时过压状态驱使处理液进入射孔。一种处理液为固化液(consolidation fluid)，该流体可用于固化射孔和地
层的近井筒区域以避免地层移动或细颗粒移动。固化液的 一种实例包括内 含微胶嚢的环氧流体，其中所述微胶嚢具有含硬化剂流体或催化剂流体的 内腔。最初，微胶嚢中的硬化剂流体与环氧流体隔离。开始时，井筒层段可具有适度的过压状态，因为固化液覆盖了要射孔的井筒层段。通过DOBC 装置形成的大的动态过压状态，引发经井筒流体传播的冲击波，使微胶嚢 破碎，致使微胶嚢内的硬化剂流体与环氧流体混合。此间，大的动态过压 状态迫使环氧混合物进入地层的近井筒区域。环氧的硬化有助于固化近井 筒区域中不牢固、疏松的岩石。进行上述固化的益处在于使单次拆装无过 滤-器的4空；少才乘4乍(one-trip screen—less sand control operation)成为可能。将硬化剂流体或催化剂流体导入地层的另 一种方法是，例如利用钻井 过程中所用的钻井液将硬化剂流体或催化剂流体预导入到射孔中。另外，DOBC装置之上的流体可以是后冲洗液(post-wash fluid),其是 通过施加连续井口压力注入的。为利用后冲洗液，可使用装有大井眼弹药 的射孔^T(guns with big hole charges)。这种^r无需调压室。在另一种应用中，处理液可为酸例如HC1，来处理碳酸盐岩油储。利 用大瞬时动态过压状态将大量酸注入射孔以进行增注。在DOBC装置形成 的瞬时过压状态下并且同时存在酸的情况下，能够进行射孔以及酸化。酸 化有助于消除或减轻射孔损害。可采用的另一种处理液是在井筒层段110中提供的携带支撑剂的压裂 液(proppant-laden fracturing fluid)。支撑剂是指与压裂液混合的颗粒，其可 在压裂操作中用于保持裂缝张开。在另 一种应用中，可在DOBC装置形成的瞬时过压状态下提供多种处 理液。触发射孔枪进行射孔可使多种处理液混合。在一些实施方案中，多 种处理液的混合可造成所述液体的活化。例如由此可有利于树脂的固化。在另 一种实施方案中，可相继施用多种处理液。可在DOBC装置形成 的瞬时过压状态下施用第一处理液。经过预定的延迟之后，例如通过排放 增压气(例如氮气)，可形成另一瞬时过压状态。可在第二瞬时过压状态下将 第二处理液施用于井筒层段。尽管通过数量有限的实施方案对本发明进行了披露，但本领域技术人 员应当理解的是可对所述实施方案进行各种改进和改变。所附权利要求意 图覆盖落在本发明真正构思和范围内的这些改进和改变。
权利要求
1. 一种用于油井的方法，包括在井筒层段中形成瞬时过压状态，使得该井筒层段的压力高于周围地层中的储层压力，其中形成瞬时过压状态，使得地层的近井筒区域的压力升高；和以一定的速度降低所述井筒层段中的压力，形成相对的负压状态，其中井筒层段中的压力低于地层的近井筒区域的压力。
2. 权利要求l的方法，还包括 在形成瞬时过压状态之后触发射孔枪， 其中在触发射孔枪之后发生降低压力。
3. 权利要求2的方法，其中所述在井筒层段中形成瞬时过压状态和降 低压力是利用具有可膨胀部件的装置进行的。
4. 权利要求3的方法，其中所述井筒层段中的降低压力是通过使用射 孔枪的调压室或突然停止所述部件的膨胀进行的。
5. 权利要求4的方法，还包括在触发射孔枪时打开调压室的至少一个 端口。
6. 权利要求3的方法，其中所述具有可膨胀部件的装置利用第一起动 机构起动，并且其中所述射孔枪利用第二起动机构触发，所述第二起动机 构具有延迟机构，以在起动所述具有可膨胀部件的装置和触发所述射孔枪 之间设定延迟。
7. 权利要求6的方法，其中所述第一和第二起动机构包括爆炸箔起爆 器(EFI)或桥式爆炸导线(EBW)起动机构。
8. 权利要求3的方法，其中所述可膨胀部件包括可膨胀气嚢，其中所 述形成瞬时过压状态是通过气嚢膨胀进行的，并且其中所述通过降低井筒 层段中的压力是通过可膨胀气嚢收缩或者突然停止气嚢膨胀进行的。
9. 权利要求l的方法，还包括在瞬时过压状态下对周围地层施用处理液。
10. 权利要求9的方法，其中所述施用处理液包括施用固化液以固化 周围地层。
11. 权利要求10的方法，其中所述施用固化液包括 提供内含微胶嚢的环氧流体，所述微胶嚢含有硬化剂流体；和 利用瞬时过压状态产生的压力波破坏所述微胶嚢，以使环氧流体与硬 化剂流体混合，从而提供固化液。
12. 权利要求9的方法，还包括 施用至少另一种处理液；和 混合所述处理液作为射孔处理的一部分。
13. 权利要求9的方法，还包括 在形成瞬时过压状态后，等待一段预定的时间延迟； 在等待预定的时间延迟之后，于井筒层段中形成第二瞬时过压状态；和在第二瞬时过压状态下施用第二处理液。
14. 权利要求9的方法，其中所述施用处理液包括施用酸。
15. 权利要求9的方法，其中所述施用处理液包括施用携带支撑剂的 压裂液。
16. —种用于油井的方法，包括利用具有可膨胀部件的装置在井筒层段中形成过压状态，其中使可膨 胀部件膨胀而形成瞬时过压状态；和在形成过压状态之后，利用所述装置降低井筒层段中的压力，以在井 筒层段与地层的近井筒区域之间形成压差。
17. 权利要求16的方法，其中所述降低井筒层段中的压力是通过使可 膨胀部件收缩或突然停止可膨胀部件的膨胀促成的，并且其中所述使可膨胀部件收缩或突然停止可膨胀部件的膨胀，使得井筒 层段中的压力比地层的近井筒区域的压力下降得更快。
18. 权利要求17的方法，其中在瞬时过压状态使近井筒区域的压力升 高之后，地层的储层压力低于地层的近井筒区域的压力。
19. 权利要求16的方法，还包括在由所述装置形成的过压状态存在时 起动射孔枪。
20. 权利要求19的方法，其中在起动所述装置形成过压状态之后，所 述起动射孔枪存在设定的延迟。
21. 权利要求16的方法，其中所述装置还包括产生增压气体以使可膨 胀部件膨胀的增压气源，该方法还包括起动该增压气源以使可膨胀部件膨 胀。
22. 权利要求21的方法，其中所述增压气源包括推进剂，并且其中所 述起动增压气源包括启动推进剂以使推进剂燃烧。
23. 权利要求21的方法，其中增压气源包括气瓶，并且其中所述起动 增压气源包括将增压气体从气瓶传输到可膨胀部件。
24. —种用于油井的设备，其包括单独的控压装置，其具有用于在井筒层段中形成瞬时过压状态的可膨 胀部件；或者该控压装置与下列装置的组合射孔枪，其在控压装置起动之后起动，使得射孔枪在瞬时过压状态存 在下射孔。
25. 权利要求24的设备，其中所述控压装置和射孔枪各自均具有起动 装置，其中射孔枪的起动装置在控压装置的起动装置起动后经过预定的时 间延迟后起动。
全文摘要
提供动态瞬时压力条件以改善射孔特性的方法。在井筒层段中形成瞬时过压状态，使得井筒层段的压力高于周围地层中的储层压力。形成瞬时过压状态使得地层的近井筒区域的压力升高。以一定的速度降低井筒层段中的压力以产生相对的负压状态，其中井筒层段中的压力低于地层近井筒区域的压力而高于储层压力。
文档编号E21B43/11GK101397899SQ200810149299
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者劳伦斯·A·贝尔曼, 布伦登·M·格罗夫, 杰里米·哈维, 雷蒙德·J·蒂布勒斯 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司