用于从水平井生产流体或气体的方法及装置与流程

本发明涉及用于从水平井生产流体或气体的方法及装置。

背景技术：

在现代经济中，石油和天然气具有特殊的经济意义。随着需求的增长，每年都在大量生产。然而，这些流体或气体通常被埋在位于土地的表面之下的地层中并且难以生产。

文献us6,125,936、us5,335,732和us5,816,326分别描述了用于从竖向井生产油或气的方法和设备。

除了竖向井的使用，长的水平井在本领域中也是已知的并且近年来已经被广泛地钻探。由此，首先竖向井被钻探下至一定深度，并且之后借助特殊的钻头来钻探弯曲井——所谓的“跟部(heel)”——并且最后钻探水平井直到所谓的“趾部(toe)”为止。由于该技术，也可以从其中油或气体积基本上仅在竖向受限的、狭窄的水平区域中延伸的地层中生产油或气。

为了刺激从其中埋有油或气的地层中排放油或气，可以使用所谓的压裂技术。由此，在钻井之后并且在进行油或气生产之前，将特殊液体、液体或气体在高压下经由井引入到地层或多个地层中。存在其他方法来增强地层与井眼之间的连通。

由于由水平延伸的生产孔所穿透的地层的表面积较大，因此最初预期水平井的生产将超过竖向井的生产。通过较长的生产区而对地层的更大暴露被认为会线性地增加生产。然而，在实践中并非如此，因为在生产孔的跟部处经历了较多的开采，而在趾部处却进行较少的生产。

通常，这种“趾部至跟部”效应在水平井的跟部处、即在水平井以弯曲的形状延伸到竖向井中的位置处相比在趾部处、即水平井的远端端部处提供更大量的油生产。然而，跟部处较大量的油生产导致该区域中水锥进的风险较高，并且同时由于在流体从趾部移动至跟部时的低效的刺激和/或较高的压降而降低了来自趾部的油或气的生产。如果由于井的某个区域处的高生产率而发生水锥进，则油或气体积会局部耗尽并且替代地产生水。此外，如果在跟部处发生水锥进，则整个生产孔中的所有进一步生产的油或气都被水污染。由于该污染，井通常变得不经济，并因此被放弃，即使在该井的更远的趾部区域中仍具有可获得的油或气。

已经采用了各种技术来远离跟部驱动生产以便从趾部开采。文献us2002/0096329a1描述了一种用于提高未固结水平井中的油生产的系统。由此，该系统希望使井操作员能够从水平井的跟部至趾部横穿生产孔产生均匀的压降。

然而，特别是在紧密的油或气储层中，还出现了许多另外的挑战，仅举几例，比如增加的开发成本、较短的井寿命、有限的可到达性和不均匀的刺激。

本发明的问题是提供一种符合上面提到的要求和约束的用于从水平井生产流体或气体的方法及装置。

技术实现要素：

问题中的至少一个问题通过根据权利要求1的用于从水平井生产流体或气体的方法和根据权利要求9的用于从水平井生产流体或气体的装置来解决。

具体地，问题中的至少一个问题通过用于从水平井生产流体或气体的方法来解决，该方法包括下述步骤：提供具有水平生产裸孔的水平井、借助阻隔件将水平生产裸孔分成至少两个单独的隔室、针对每个单独的隔室设置至少一个生产管柱以及将流体或气体从每个隔室经由对应的生产管柱传送至表面。

在标准的井设计中，仅设置单个生产管柱，所述单个生产管柱一般朝向水平生产孔的跟部定位。然而，所述单个生产管柱仅留出用于流动抽取和控制的一个位点。如已经提到的，生产管道的较低的吸入压力将导致跟部处的生产增加，但是将不会显著地影响在向着生产管道的趾部的方向上的区域处的生产。

与此相反，本方法借助单独的隔室和用于水平井的每个隔室的单独的生产管柱能够实现来自整个水平生产裸孔的油或气的并行生产或流动。通常，这使得“趾部至跟部”效应显著降低。每个隔室的生产在原则上都独立于其他隔室的生产。因此，针对水平井的每个隔室的生产速率可以被单独地控制。这允许管控或避免水锥进并增加针对每个部段的增量生产。此外，提供了水平井的完全的趾部可到达性，这提高了整体的井生产率。

由此，增加了可到达性、特别是较长的水平井的可到达性。在每个隔室生产管柱中，可以提供足够的吸入压力，例如通过控制该生产管柱的相应的节流器来提供足够的吸入压力，而无论在水平井中的位置如何。此外，针对每个隔室应用独立的生产管柱导致拥挤区域更少，并且通过减少井数目而降低了防撞风险和总体的井成本。而且，本方法为对特别是在紧密的地层中的水平井和/或长的水平排水道的生产构型的优化提供了未来的机会。

优选地，该方法还包括独立控制每个隔室的流体或气体的生产流量的步骤。由于独立控制每个隔室，因此提供了用于流量控制的多个位点。因此，可以例如基于位于每个隔室处或每个隔室周围的地质条件针对每个隔室来独立地调节生产。与在具有较小体积的区域中相比，在具有大量的油或气的地层区域中，可以调节更高的生产流量且同时均匀地保持地层中的整体油或气分布。类似地，可以就地层或多个地层的油或气渗透率而言来调节生产流量。

优选地，控制每个独立的生产管柱的生产流量的步骤包括将流体或气体从所有隔室同时或非同时地传送至表面。由此，可以实现生产的增加，特别是与原来的单个完井相比可以增加生产。此外，通过本方法可以到达更深的水平区域。因此，本发明的方法致使成本优化且节省时间。

优选地，控制每个独立的生产管柱的生产流量的步骤包括根据与相应隔室邻近的地层或多个地层中的流体或气体的估计体积来调节流量的步骤。地层中的油或气体积产生(流体)抵抗力以抵抗上方和下方地层中的趋于进入到油或气地层中的水。如果油或气在井的某个位点处排放得太快或太多，则会发生水锥进。然而，在本发明中，可以实现地层中的整体流体或气体体积沿着水平生产裸孔基本均匀地分布。这种均匀分布的油或气体积又避免或延迟了沿着水平生产孔的水锥进。此外，通过沿着水平生产裸孔从地层稳定且均匀地排放油或气，可以从地层提取更多的油或气，直到基本可生产的油或气都从地层排放并且水将渗入生产裸孔中为止。因此，该井更加经济。

优选地，控制每个独立的生产管柱的生产流量的步骤包括将流量调节成使得水锥进被管控或避免的步骤。独立的控制使得具有油或气体积的地层能够在每个隔室处/每个隔室周围包括基本相同的规模。此外，如果水进入到井的一个隔室中并进入到相应的生产管柱中，则可以停止该隔室和管柱的生产，而不影响其他隔室和相应的管柱的生产。因此，可以管控或避免水锥进，特别是在地层区域的仅具有少量油或气的隔室处管控或避免水锥进。因为管控或避免了水锥进，所以生产管道中的已生产的油或气不会受来自上方或下方地层的水污染。油或气可以被简单地进一步处理，这使得井更具利润。

此外，由于实际地管控或避免水锥进，因此，沿着水平生产裸孔埋在地层中的大部分油或气体积可以通过本发明的方法来生产。井不必由于水锥进而被提前放弃。由此，可以减少井的数目并且可以使表面占地面积最小化。

总而言之，对每个独立的生产管柱的生产流量的控制提供了对水锥进的总体控制和管控或避免，其中，水锥进导致漏失井、特别是在对于水的高渗透性区存在于跟部处时导致漏失井。

优选地，该方法还包括下述步骤：根据特定的适时模式将注射液体或气体经由每个隔室的对应的注射管柱同时地或非同时地注射到所有隔室中或者注射到一个隔室中之后注射到另一隔室中。由此，将注射液体或气体在高压下注射到水平裸孔周围的地层中刺激或加强了来自地层的油或气的生产。由于这种刺激或压裂作用，较小的油或气体积聚集、从地层排放并且渗入水平生产裸孔。优选地，注射管柱可以用作生产管柱。

此外，对每个隔室的受控注射提供了有效、均匀且更好的刺激。因此，对于每个隔室，注射液体或气体的组成和/或压力可以根据隔室周围的对应地层来调适，以便在有效利用注射液体或气体的同时实现期望的油或气输出。因此，通过使用本方法，在注射足够体积的注射液体或气体的同时还可以解决地质的不确定性。这允许进行局部可调节的压裂处理。

优选地，该方法还包括下述步骤：将金属管插入到水平井中以提供裸孔的外壳、优选地对金属管周围的区域注水泥，以及在该金属管中设置多孔结构、优选地通过在水平井的裸孔内部点燃炸药来在该金属管中设置多孔结构。位于井的外周处的金属管和可选的水泥筒体对井进行支撑并且提供稳定性。此外，金属管的清洁表面便于生产管柱和阻隔件的布置。

爆炸将在外壳中产生裂缝。这些裂缝形成多孔结构的至少一部分。通常，多孔结构以小孔为特征，来自水平生产裸孔周围的地层的油或气可以通过这些小孔渗入生产裸孔中，然而地层颗粒被基本上防止进入到生产裸孔中。因此，几乎纯净的油或气穿过生产裸孔到达表面。由此，避免了由于生产裸孔中的较大的地层颗粒造成的堵塞。

优选地，独立地控制每个隔室的流体或气体的生产流量的步骤借助下述各者来完成：隔室中的至少一个隔室的至少一个流动控制装置、和/或管柱中的至少一个管柱的至少一个流动控制装置、和/或管柱中的至少一个管柱的至少一个传感器、和/或管柱中的至少一个管柱的井下处理器、和/或管柱中的至少一个管柱的用于与远程位置通信的通信能力。

上面提到的问题中的至少一个问题还通过用于水平流体或气体井的流体或气体生产装置来解决，该装置包括：具有生产裸孔的水平井；位于生产裸孔内的至少一个阻隔件，所述至少一个阻隔件用于将生产裸孔分成独立的隔室；以及至少两个独立的生产管柱，所述至少两个独立的生产管柱中的至少一个生产管柱在生产裸孔内从表面延伸至隔室中的一者，其中，至少一个生产管柱独立地用于每个隔室。

所述至少一个阻隔件将生产裸孔分成独立的隔室，使得一个隔室的生产或生产流量不影响任何其他隔室的生产。因此，水平生产裸孔被分成若干独立的生产区域。由此，用于每个隔室、即生产区域的单独的独立生产管柱使得能够从多个隔室同时或非同时进行生产，同时可以针对每个隔室独立地控制生产流量。

优选地，每个独立的生产管柱连接至节流器以针对每个隔室独立地控制流体或气体的生产流量。在使用用于每个独立的生产管柱的单独的节流器时，可以容易且独立地控制生产流量。由此，可以根据实际需要连续且适时地调节生产流量。

优选地，每个阻隔件对于流体或气体是不可渗透的并且可以沿着生产裸孔或套管的长度自由地定位。由此，阻隔件优选地是可膨胀的阻隔件。因为处于安装状态的每个阻隔件对于待生产的流体或气体是不可渗透的，所以每个阻隔件将每个隔室相对于相邻的隔室完全地密封。因此，由于生产管道的特定吸入压力而引起的期望的生产流量仅影响特定的隔室，而不影响任何其他隔室。自由定位允许阻隔件例如根据沿着水平生产裸孔的地层条件来布置。

优选地，独立的生产管柱延伸穿过相应的阻隔件或多个阻隔件，并且相应的阻隔件将每个生产管柱的通道相对于流体或气体密封。通过直接利用阻隔件来密封每个生产管柱的通道，不需要额外的密封元件并且便于隔离。

优选地，每个独立的生产管柱也可以用作用于将注射液体或气体从表面注射至对应的隔室的注射管柱。生产管柱作为用于压裂的注射管柱以及随后作为生产管柱的双重用途可以节省生产裸孔中的空间并节约成本，并且有利于整个流体和气体生产装置。此外，将注射液体或气体独立地注射到每个隔室中提供了例如就注射液体或气体的应用压力和/或体积而言的受控注射。由此，可以考虑在每个隔室处的不同地层条件，并且可以提供注射液体或气体的有效应用。

优选地，生产裸孔还包括可渗透的外壳，以允许流体或气体从地层或多个地层渗入生产裸孔中，其中，优选地，外壳由金属管制成并且优选地由水泥层制成，所述金属管和所述水泥层具有多孔结构。位于井的外周处的金属管和可选的水泥筒体对井进行支撑并且提供稳定性。此外，金属管的清洁表面便于生产管柱和阻隔件的布置。

优选地，生产管柱由挠性且耐用的材料制成，从而允许从竖向井弯曲至水平生产裸孔并且承受用管道输送通过的流体、气体和/或注射液体、气体的高压力。挠性的生产管柱允许整个管柱在井内部无任何连接步骤或连接装置的情况下从表面完全插入到生产裸孔中。

优选地，隔室包括至少一个流动控制装置。优选地，管柱包括至少一个流动控制装置，并且优选地，管柱包括至少一个传感器。此外，优选地，管柱包括井下处理器，并且优选地，管柱具有用于与远程位置进行通信的通信能力。

附图说明

在下文中，参照附图公开了本发明的优选实施方式，在附图中示出了：

图1：根据本发明的实施方式的流体或气体生产装置的示意性横截面图；

图2：根据本发明的水平生产井的实施方式的示意性横截面图；

图3：根据本发明的另一实施方式的流体或气体生产装置的示意性横截面图；以及

图4：根据本发明的另一实施方式的流体或气体生产装置的示意性横截面图。

具体实施方式

在下文中，参照附图详细描述了本发明的优选实施方式。

图1示出了根据本发明的实施方式的流体或气体生产装置1的示意性横截面图。由此，由附图标记106标示的区域表示土地的表面，并且位于表面106下方的包括地层或多个地层104的区域是地下区域。该地下区域包括主要沿水平方向延伸的若干不同层的地层(未明确示出)、比如图1中的包含油或气的地层104。因此，地层104包含油或气100、102。通常，油或气100、102能够以直接埋于地层104的结构中的小液滴的形式获得。此外，地层104可以具有相当小的竖向延伸但是具有较宽的水平延伸。因此，借助常见的竖向井18来生产油或气100、102在此是较不经济的，并且因此在地层104中使用水平井10。应当指出的是，在油或气100、102生产现场处也可能出现多于一个的地层104。包含油或气100、102的不同地层104层可以以不同深度存在。

此外，在图1中示出了包括竖向井18和水平井10的井。由此，竖向井18通过常用钻探技术向下钻探至地层104层上方的深度。然后，竖向井18以弯曲的方式延伸，直到该竖向井18变成水平井10为止。井或生产裸孔(openhole)的弯曲路径与水平生产裸孔20之间的过渡区被称为“跟部”24。水平生产裸孔20的远端端部被称为“趾部”26。在趾部24处，水平井10可以向沉积物104敞开。水平井10的路线不需要以数学的方式而严格地水平，而是可以提供一些上坡倾斜和下倾。在理想情况中，水平井10跟随其在水平方向上的路线布置在地层104的水平中心线处。这将在水平生产裸孔20周围的地层104中提供油或气体积的均匀分布。然而，在实践中，水平生产裸孔20周围的地层104的延伸沿着裸孔的长度是不同的，导致了油或气100、102的不同分布。

通常，井10、18的直径在100mm至800mm之间。每个生产管柱50、52的直径显著小于生产孔20的直径，使得一个或多个生产管柱50、52可以插入或布置到一个生产裸孔20中。由于图1仅是示意图，因此并未示出所有可能的生产管柱，并且仅示出了延伸至表面106的两个生产管柱。然而，在实践中，每个生产管柱将从水平生产裸孔20延伸至表面106以进行独立的油或气开采。每个生产管柱50、52终止于隔室30、32中的一者中并且包括开口端部，使得从地层104排放的油或气100、102可以进入生产管柱50、52并流动至表面。由此，流动通过生产管柱50、52的油或气100、102体积可以由生产流量54、56给出，该生产流量可以由公知的测量仪器在表面106上例如在节流器(choke)60、62处测量。为了控制生产流量54，隔室可以包括至少一个流动控制装置。此外，生产管柱50、52可以包括至少一个流动控制装置。例如，为了测量油或气的流量、压力或温度，管柱50、52可以包括对应的传感器(未示出)。此外，优选地，管柱50、52可以包括井下处理器，并且优选地，管柱50、52具有用于与远程位置、优选地为表面水平处的远程位置通信的通信能力。

对生产流量54、56的控制可以借助所提到的节流器60、62来执行，其中，每个节流器连接至仅一个生产管柱。节流器60、62优选地布置在表面106处。出于控制目的，多个或全部节流器的操作可以由一个节流器控制单元(未示出)控制。此外，可以借助用于控制管线中的流体或气体流动的泵或阀(未示出)或任何适合的装置来控制生产流量54、56。由此，生产管柱50、52的吸入压力可以借助泵生成，或者由从地层104排放的油或气100、102的压力产生。压裂技术的应用可能增加地层104中的流体或气体压力。

然后，经过相应的生产管柱50、52的节流器60、62所生产的油或气100、102经由管路传送至其他生产单元以进行进一步处理(未示出)。

图2示出了根据本发明的水平生产裸孔20的实施方式的示意性横截面图。由此，水平生产裸孔20定位在包含油和/或气100、102的地层104中。在图2的右手侧描绘了趾部区域，而在图2的左手侧处描绘了跟部区域，在图2中示出了生产裸孔的将竖向井18(向上)与水平井10连接的弯曲路径。

水平生产裸孔20的外周可以包括金属管12并且可选地包括位于金属管12与地层104之间的区域14中的水泥层。因此，金属管12和可选的水泥区域14包括多孔结构16、即金属管12和可选的水泥区域14包括使油或气100、102能够渗入水平生产裸孔20中的裂缝或小孔。由此，金属管12可以已经包括这种小孔，或者由于水平生产裸孔20内部的预期的爆炸而获得了这些孔。此外，该爆炸将在可选的水泥区域14中产生小的裂纹或裂缝，使得该可选的水泥区域14也获得多孔结构16。包括被穿孔的金属管12并且可选地包括多孔的水泥区域14的多孔外壳22将防止较大的地层104颗粒进入到水平生产裸孔20中。管道可以是最初被割缝，例如为割缝衬管，而无需注水泥或穿孔。

此外，水平生产裸孔20借助不能透流体和/或气体的阻隔件40、42被分成隔室30、32。沿着水平生产裸孔20，任意数目的阻隔件40、42可以布置在距彼此相等或不相等的距离处。阻隔件40、42的定位可以例如根据一区域中的油/气100、102体积的地层104特性来执行。这些阻隔件40、42还为穿过这些阻隔件40、42的生产管柱50、52提供支撑。阻隔件是可膨胀的并且由弹性材料制成，使得这些阻隔件在这些阻隔件的外周处以完全膨胀的状态密封每个隔室。因此，阻隔件可以在干燥状态下容易地插入到生产裸孔中，其中，阻隔件小于裸孔的直径，并且可以通过变湿而简单地定位。此外，由于阻隔件的挠性机械性能，这些阻隔件还对延伸穿过这些阻隔件的生产管柱50、52进行密封。

由于水平生产裸孔20内部的压力较低，油或气1004在隔室30处从地层10排放到生产裸孔20中。油或气102进入到隔室32中。由此，生产裸孔20中的较低压力可能是由泵、优选地位于表面106处或表面下方的泵而产生的，或者是由于与水平生产裸孔20的每个隔室30、32中的压力相比地层104中的油或气100、102上的压力更高而产生的。地层104中的油或气100、102压力可以通过应用压裂技术而增加。较高的油或气100、102压力会导致较高的生产流量54、56，并且会因此提高总体生产效率。

总而言之，将油或气100、102从地层104永久地排放到水平生产裸孔20中是可能的。每个隔室30、32的生产流量可以由用于每个独立的生产管柱50、52的对应的独立的节流器60、62被独立地控制。当然，一个隔室30、32中的生产流量54、56如果需要——例如，如果水进入该隔室——可以减小至零。此外，生产可以在稍后通过再次简单地打开节流器60、62而再次开始或增加。

通过独立地控制每个隔室30、32的生产流量54、56，可以实现水平生产裸孔20周围的地层104中的基本均匀地分布的油或气100、102体积。由于油或气100、102的这种均匀分布，因此不会发生水锥进或者发生延迟的水锥进。因此，在实践中，地层104中的较大体积的油或气100、102可以在大量的水将渗入裸孔20中且该井必须被放弃之前被排放到水平生产裸孔20中。这显著地提高了水平井的生产率。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的流体或气体生产装置1的示意性横截面图。其中，第一隔室30形成在位于第一阻隔件40与第二阻隔件42之间的生产裸孔20中。每个阻隔件可以包括多个部段，所述多个部段还可以如例如在阻隔件42处可以看到的那样彼此间隔开。第二隔室32形成在水平生产裸孔20的趾部26与阻隔件42之间。从地层104排放的油或气100、102可以沿着图1中的虚线渗入水平生产裸孔20。然后，第一隔室30或第二隔室32中的每一者中的油或气100、102将穿过相应的第一生产管柱50或第二生产管柱52到达表面。如图3中可以看到的，第一生产管柱50也可以布置在竖向井18中，然而尽管如此，第一生产管柱50将仅获得来自水平生产裸孔20中的地层104的油或气100、102。综上所述，同样地，利用本发明的该实施方式，油或气100、102可以从水平生产裸孔20中的隔室30、32两者同时或非同时地生产。长管柱52可以被分成多个部段、优选地为两个或更多个部段。在图3中，长管柱52被分成两个部段、即下部段和上部段。该图中的下部段配备有被穿孔的接头，以允许从管柱50生产气或油100。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的流体或气体生产装置1的示意性横截面图。其中，第一隔室30形成在位于第一阻隔件40与第二阻隔件42之间的生产裸孔20中。每个阻隔件可以包括多个部段，所述多个部段还可以彼此间隔开。第二隔室32形成在水平生产裸孔20的趾部26与阻隔件42之间。从地层104排放的油或气100、102可以沿着图4中的虚线渗入水平生产裸孔20。然后，第一隔室30或第二隔室32中的每一者中的油或气100、102将穿过相应的第一生产管柱50或第二生产管柱52到达表面。如图4中可以看到的，第一生产管柱50也可以布置在竖向井18中，然而尽管如此，第一生产管柱50将仅获得来自水平生产裸孔20的地层104的油或气100、102。综上所述，同样的，利用本发明的该实施方式，油或气100、102可以从水平生产裸孔20中的隔室30、32两者同时或非同时地生产。

附图标记列表

1流体或气体生产装置

10水平井

12金属管

14金属管12周围的区域

16多孔结构

18竖向井

20生产裸孔

22外壳

24跟部

26趾部

30第一隔室

32第二隔室

40第一阻隔件

42第二阻隔件

50第一注射/生产管柱

52第二注射/生产管柱

54第一生产流量

56第二生产流量

60第一节流器

62第二节流器

100隔室30的油/气

102隔室32的油/气

104地层

106表面