完井的方法和装置的制作方法

专利名称：完井的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及完井的方法和装置，包括但不限于生产井或者注入井。更 具体而言，本发明的一些实施例涉及用于减少在初次完井时或者在维修作业中研磨或者阻塞性固体颗粒例如来自地层的沙子进入井孔的量以改进 初次完井的方法和装置。相似地，在本发明的其它实施例中，提供用于控 制流体通过和井孔相关的可固化材料中的局部裂缝流入/流出井孔的系统 和方法。这样，本发明可促进生产压差局部区域和生产井中的生产或者注 入井中的选择性流出控制。
背景技术：
在钻井例如油井和天然气井时遇到的某些地层有时在生产阶段易于 出砂。伴随地层流体产生的沙子可由于所产生的固体的阻塞对井生产期望 流体的能力造成严重问题以及由于这样的颗粒的磨损性质而对装置造成 破坏。可以以下套管井构造或者无套管井(裸井)构造完成在易于出砂的储 层中钻出的井孔。对于下套管完井，通常由首尾相连的一系列钢管形成的 套管柱被胶结在井孔中的合适位置。最简单的水泥充填是初次注水泥，其 中，包括水泥浆的流体串通过套管柱从地面被泵送至井孔，沿着套管和地 层之间的环形间隙返回至地面。水泥在套管后的环形空间中凝固以形成支 承和保护套管并提供层间隔离的材料。现在，易出砂储层的裸眼(未下套管)储层完井常常是复杂而昂贵的 步骤，需要采用硬件以防止在生产阶段从储层中产生沙子。当前常规的防止出砂的方法包括.将工具和筛管(screen)置于井眼内后砾石充填(gravel packing); -将预先充填的筛管安置(placement)在裸眼中；-采用可膨胀筛管完井；以及-例如采用树脂使储层的生产层表面胶结(0)118011￡1^011)。砾石充填过程需要采用专门工具，并且砾石的不完全充填特别是在水平储层中是众所周知的风险。预先充填(prepacked)的筛管消除了空隙的风 险但是需要特别复杂的安置(placement)。美国专利文献3 026 936提出了通过利用水泥中的裂缝促进井生产。 提出通过射孔弹、机械锤、水力驱动活塞和通过增加的流体静压力使套管 变形来破裂垂直井中的水泥。另外，提出通过化学处理提高渗透性。在描述修补套管和水泥之间的通道的水泥充填方法的美国专利4 531 583中提出了采用具有预先弱化(塞头孔)带的套管衬管。在美国公开的 专利申请2005/0121203A1中描述了另一种采用具有预先切割的孔的套管 衬管，作为有待与井壁直接接触的膨胀衬管。发明内容本发明旨在通过使水泥的破裂局部化改进先前提到的技术。特别是授 予Teplitz的US3 026 936早先认识到了通过粉碎水泥套和射孔套管产生井 的潜力。但是对于上述在井生产和防砂领域占主导的装置和技术，Teplitz 的提议被很大程度地忽略了。本发明改进了在应用根据Teplitz的方法时被认为是主要障碍的某些 方面。例如Teplitz未能将裂缝的传播限制于水泥套，因而在地层之间产 生潜在的不需要的交叉流动和产生层间隔离损失。尽管提到在将套管安置 于井中之前对套管射孔，Teplitz还未能教导通过预先射孔的套管衬管填充 水泥浆的方法。本发明提供了将裂缝水泥带局部化的装置和方法，并且在另一个方面 中提供了将水泥浆初步充填在套管和地层之间的环形空间中的改进的预 先射孔的套管。为局部化裂缝带，本发明沿着井孔对水泥(或者任何其它用于建立层 间隔离的可固化材料)套施加局部的，优选为受控的力或者压力。优选地， 该方法包括在目的层膨胀套管以通过力或者压力传递元件使目的层中的 水泥破裂。可选择地，由位于环形空间中的更有柔性因此不易碎的材料的区域或 体积限制破裂的可固化材料的区域或者体积。套管或者衬管的射孔部分被 设置为来自周围地层的通过裂缝带的流体可通过套管的射孔进入井。将套管和生产地层隔幵的碎片材料带或者层设计为防止沙和其它固 体颗粒进入井。换言之，地层和套管之间的破裂的材料用作沙过滤器或者 沙筛。至少一部分套管具有多个开孔例如狭缝、筛孔、网孔等。在初次填充 可固化材料期间优选以可移除填料或者塞子填充或者堵塞开孔。根据该变 形形式的方法包括在井开采之前或者过程中去除目的层套管中的填料或 者塞子的进一步的步骤。优选地，在使水泥破裂之前或者之后但是开采井 之前去除填料或者塞子。但是，在该实施例的变形形式中，可采用采出的 地层流体去除填充材料。可选择地，包括开孔的套管可被下至包括水泥的 井中或者随后将水泥泵送入井。在这些方面，可将井孔中的水泥钻出井孔， 使得井孔清洁以备其它操作例如进行破裂等。可根据操作要求组合本发明的各个方面。已发现，组合采用预先射孔 的套管以局部化水泥中的裂缝而促进生产的各个方面特别有利。本发明可 用于垂直和非垂直或者水平井。本发明的另一方面包括局部破裂围绕井中的套管的水泥的装置。在某些实施例中，通过控制水泥、可固化材料和/或其它材料中的裂 缝的位置，可控制从储层流入井孔的流体流入和/或从井孔至储层的流体 流出。可将采用可固化材料中的局部化裂缝来控制流体流动用作对井孔/ 井孔套管射孔的替代。


现在将参考附图描述本发明，其中-图1A和1B示出了在破裂前和破裂后的本发明的一个实施例； 图1C和1D示出了在破裂前和破裂后的本发明的另一个实施例； 图2A和2B示出了根据本发明一个实施例的装置视图； 图3A—3D示出了用于本发明的各种形式的套管和适合的工具； 图4示出了产生冲击波以破裂水泥的工具；图5A—5C示出了具有根据本发明的力或者压力局部化元件的套管；图6示出了具有预先形成的开孔的套管；图7描述了根据本发明所采用的套管的另一个例子；以及图8为根据本发明例子的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及将在产层前提供可渗透材料的初次注水泥过 程。该过程可以一步或者多步进行。在图1A中示意地示出了本发明的一 个实施例。套管柱11位于井10中，包括在盖层121或者不可渗透地层前 面的常规钢套管111和具有在可渗透区域122前面的多个狭缝113的割缝 套管112。在本发明的一个实施例中，可相对于割缝套管112以垂直方向 /方位设置多个狭缝113。在其它实施例中，可相对于割缝套管112以任意 方向/方位设置多个狭缝113，并且多个狭缝中的一个或多个狭缝实际上可 与多个狭缝113中的其它狭缝具有不同的相对于割缝套管112的方向/方 位。包括适合于井况的水泥浆的流体串沿套管11从地面泵送以填充套管 11和地层12之间的环形空间从而形成井周围的不可渗透的护套13。还可 将注水泥胶塞131设置在可破裂水泥浆和留在套管中的流体之间的流体 串中。该过程将使得井自由地继续钻探、放置工具或者填充油。在图1B中破裂力被施加至水泥以在处于狭缝113周围的区域内在固 化水泥13中局部地产生裂缝132。。下面将描述将裂缝限制在期望区域 内的合适的方法的细节。例如，在图1C中，包括常规水泥浆、接下来是更柔软的密封剂成份、 接下来是容易破裂的水泥的液体串沿着套管11泵送。将流体串(下面更 详细地描述)在套管11后置于套管11和地层12之间的环形间隙中。因 此，将标准水泥133置于柔性密封剂134和目的层内的可破裂水泥135上 方。在材料在套管11后固化后的一段时间，可如图1D所示破裂或压裂 可破裂水泥135以及某些情况下地层以通过裂缝132从储层地层122进行 开采。柔性带134防止裂缝132延伸超过产层122附近的水泥135。下面 描述密封剂的合适材料。在该实施例的变形形式(未示出)中，选择水泥133和135的性能使得裂缝在两种水泥之间的界面上停止，而不需要密封剂材料134的间歇带。在现有技术中已知具有柔性和弹性性能的水泥，例如Schlumberger 的FlexSTONE (RTM)商标。可选择地，假设密封剂134防止裂缝132 的传播，则可在区域133和135中采用相同类型的水泥。下面描述密封剂 的合适材料。下面的细节描述了各种施加破裂力或者压力以使水泥在井孔中期望 的位置破裂的方法。可通过套管和/或密封塞子施加控制载荷以借助一个或多个力或者压 力传递元件在水泥中引起裂缝。接触元件的形状、数量和位置可改变以优 化该过程。在一个实施例中，可在套管中重新设置施加力的工具，并且重 复该过程或者可配置作为这样的元件的(垂直)阵列的装置。图2A和2B示出了一种这样的井下工具24的例子。在该例子中，液 压力被施加至安装在输送管241中的锥形楔242的顶部。可选择地，可经 电子或者水力电动机(未示出)驱动的螺杆机械装载该楔。楔通过经输送 管241送入的销243向套管21传递力。可设计销243的位置和数量以优 化水泥23中的裂缝232的数量。该销还可用于对套管21穿孔。当采用和 图1的套管11相似的具有阻塞狭缝的套管时，工具24可用于如下所述穿 过在填充和泵送水泥时密封套管中开孔的塞子。在图3中，示出了局部破裂水泥的方法和工具的其它例子。在图3A 中，由固化水泥33围绕套管31。套管在水泥侧具有一个或多个销钉311， 在内侧具有凹口 312。水泥破裂工具34包括连至探针342的活塞341，探 针342通过O环343伸出工具，该O环被设计为防止分散材料弄脏弹簧 344。由0环345密封活塞341，并且活塞341可通过作用在其表面上的 压缩油或水相对弹簧344被激活。激活时探针尖342进入凹口 312并迫使 销钉311进入固化水泥33，产生裂缝332。由楔或者弹性挡圈346防止活 塞341缩回。工具34然后移至套管的下个销钉/凹口并且根据需要重复操 作。在图3B中，示出了变化的套管，其包括局部破裂水泥的可移动元件。 固化水泥33邻接容纳一个或多个腔311的套管31，每个腔都包括通常由 弹簧311保持在托架313上的活塞312。由弹性挡圈315将组件保持在合适位置。活塞312的水泥侧具有钉316和防止未固化水泥进入活塞/弹簧 区域311的软塞材料317。在水泥固化后，由容纳在工具35中的锥形塞 351 (部分示出)在液压力作用下推进活塞。任何其它可用的力例如在电 线运输中电力获得或者在盘绕管运输中水力获得的力可设想用于产生将 钉316推至水泥33的力。钉316使水泥破裂。通过裂缝产生的流体可流 过套管中的狭缝例如上面图1所示出，或者采用套管31中的腔311通过 活塞312中心的孔(未示出)流动，或者通过两者的组合流动。在所有情 况下，变形形式的套管可包括不同突起的钉，允许选择裂缝尺寸、位置和 数量。这些钉还可沿包括作为封堵材料的可溶于油的树脂的侧孔设置。在图3C所示出的简化实施例中，钉316从套管31突出，或者部分 或者全部插入弹性材料318的塞子中，塞子提供用于钉的弹性但流体密封 的座。在图3A—3C的实施例中，在水泥通过摩擦材料或者包括槽(凹口) 或者活塞中的座的装置初始破裂后，钉可保持在合适位置。在图3D中将 活塞表面上的该变化表示为319。可设想其它方式定位钉而不缩回同时维 持应力。在一些情形中，这些钉可包括监视产出流体的流速、温度和组成的传感器。可选择地，当套管的厚度减小时可单独使用弹性体以定位插入物并防 止水泥渗漏(参见图3B)。插入物、钉或者销可在施加负载之前伸进套 管外部的水泥中。另一个施加控制压力的选择为采用爆炸装置以增加套管内的液压力 以破碎环形空间中的水泥或产生局部压力波的成形填充物。和不用射孔弹 (bullets)操作炸药(explosive charge)的本发明的方法相比，Teplitz在 US 3 026 936中建议的采用射孔弹以在套管中穿孔或者破碎水泥不能对压 力范围和力的位置提供类似的控制。爆炸装置可穿过或者不穿过套管。在 图4的例子中，由挠性管传送的射孔器44被示出为下至井孔中。射孔器 承载大量炸药。可将炸药封装在小的压力腔441内，该压力腔暴露于流体 并将冲击波有效地耦合至套管41。这对套管产生大的液压冲击，这一点 在破碎水泥43时是有利的。10射孔装置(炸药)被用于对套管穿孔并穿过地层以增加产量。特别是 在射出的孔附近和当使用高密度时存在明显的水泥。作为穿透度非常低的简单射孔弹的管道打孔器(tubingpuncher)可用于仅仅穿过套管。可由配置在钢缆起下工具上的电磁操作锤代替炸药(explosive)。该 锤设置在套管附近并被激活，在套管上振鸣(ringing)，冲击波造成水泥 以已知的方式破裂。控制的振动能量还可用于使水泥破裂。再一次，采用配置在钢缆上的 装置，可从小卡圈(collar)膨胀环并将环夹紧在套管上。然后已知的或 频率优化的振动筛(shaker)装置可以以足够高频的能量激发套管以产生 径向裂缝。振动的频率和幅度可被调节以适应深度和环境压力和温度以优 化所形成的裂缝的尺寸。声源可具有减小所生产的石油粘度的辅助和有利 作用。另一种方法为对套管表面施加热量以促进水泥膨胀和破裂，同时减小 烃流体的粘度。例如，可配置采用辐射或者感应的局部加热以在预定区域 中使水泥破裂。在该情况下，在钢缆(wireline)上放下工具以传送9kW (甚至更高脉冲)的能量。采用聚焦探针(以和上述销相似的方式)将该 能量转化为热量。该销将热能以非常精确的方式聚焦在水泥中。另一种解决方案为采用和用于可膨胀套管的心轴(mandrel)相似的 心轴。从地面牵拉心轴从而根据需要使套管的一部分变形。心轴的形状可 被调节以产生套管永久的变形量，不仅保障产生裂缝而且保证其保持打 开。变形量可适合于以张力和剪切力引发水泥中的裂缝并且当该特征有利 时提高裂缝密度。还可采用多个心轴以根据需要进一步使套管膨胀和使水 泥破裂。在某些情形中，心轴可包括可改变套管、水泥和滤饼表面性能的 化学物。还可通过采用施加于套管内部的液压力实现对套管的控制膨胀。 除了上述的步骤，电场、伽马射线、或者X射线可用于在破裂前或 者破裂后使水泥退化。作为破裂力的来源的这些可能选择中， 一些例如液压力、热或者其它 使套管膨胀的装置不易限制并且可能产生期望区域外部的裂纹。该情况 下，裂纹在水泥中的分布可通过和固化水泥接触的套管51的表面形状被局部化并且被控制。在图5A — 5C中提供了的适合用于该目的的一些套管构造的例子，并且分别包括轴向刀口肋511、周向刀口肋512和尖突起513。 根据本发明的某些实施例，可采用其它力或压力传递元件——包括但不限 于套管中的槽、改造的扶正器等，以及它们的任意组合。如果采用常规套管柱，则在充填和固化水泥后对该套管射孔或者切 割。这样的套管改变需要采用如上所述的射孔工具，套管钻具或者喷水嘴 (water jet)。可通过磁臂将喷水嘴保持在套管表面附近并和套管上各种位置 相接触地旋转。喷嘴直径和排水速度可用于控制狭缝宽度。可由井下泵和 在钢缆上传送的牵引车提供喷射。在该方法的另一种变形形式中，可通过 沿挠性管泵送流体以激励井下泵来提高可用功率。但是，优选改变该套管以允许作为初次注水泥过程的一部分执行根据 本发明的完井。因此，任何上述变形形式得益于采用例如图1所示的具有狭缝或者破 碎薄弱区域或者网格形幵孔的套管，所述开孔被覆盖、阻塞或者切割至少 于套管厚度以保持最小压差量。当激活破裂力时将使盖或者塞子破裂或穿 孔。可选择地，由从地面泵送或者从地层流出的流体溶解盖或者塞子。图 6示出了这种套管或者筛管的例子。在图6中，套管61的下半部具有多个开孔613，每个开孔在充填和 泵送水泥时被填充，图中以放大视图示出塞子614。塞子材料可以为溶于石油的树脂、易碎材料或者具有高热膨胀率的材 料。该塞子可设置为在水泥水合期间破裂或者熔化，或者接触石油或水时 溶解。可选择地，它们可在套管膨胀时熔化或者破裂，或者在水泥成为凝 胶之后但是在固化之前通过下至井中的工具被拉出。一般地，套管或者筛管中的开孔的宽度将优选小于破裂的水泥中的范 围(作为防止完井失败和出沙的额外防护措施)，优选最多为地层沙颗粒 直径的2.5倍。剩余的水泥碎片可能比该颗粒大得多(可能处于0.3mm至 lmm的范围内)，并且然后将不能通过套管或者筛管产生。筛管或者套 管的渗透率大于破裂的水泥，但是其仍然可具有未被射孔的区域以防止崩 溃并消除在井中的额外圆形(环)支承件的需要。没有开孔的该区域可包 括如在上面例子中所描述的锥形或者楔形的多个表面。尽管常规套管由钢制成，但是对于本申请可设想其它金属和/或非金 属套管(例如聚合物或者复合材料)。图7中示出了可选择的变形套管的示意图。在该方法中，丝网711被 连至射孔或者割缝的套管71的背面。该网可以用石油或者水溶性聚合物712涂敷在外部，以允许在套管背面在初次注水泥时将水泥73以浆状充 填。当石油或者水透过筛管中的孔/狭缝713时，其将到达聚合物涂层并 使其溶解。通过筛管中的孔对水泥施加压力，这将减小所需要的破裂应力。 可选择地，可通过水泥的高pH (-13)环境和在井孔中施加额外应力 时的破裂改变涂层712。筛管的该变化允许初次注水泥、减小的水泥失效 压力、提高筛管后面的渗透率(连通性)、并使水泥中的收縮应力的影响 最大。现在讨论用于本发明的水泥材料的期望和优选特性，水泥的重要特性 为其收縮性、压縮强度、弹性性能和液体渗透性。这些特性将决定水泥性 能和其破裂方式。仅仅通过例子，观测了标准级G水泥浆的收縮(胶凝以后)，结果 在套管上产生0.01%的应变。示出这一点的实验室实验在没有过量水的情 况下进行，结果为产生切线拉应力和从外表面至套管形成的拉伸裂纹。尽 管前面的分析涉及G级水泥浆，但是本发明的实施例不限于采用该水泥 并且可以用于其它水泥、水泥浆、水泥状混合物等等。最大化水泥浆的收 縮同时减小伸拉强度可造成水泥中的自然裂缝。在填充水泥后，井底温度 将升高(有时升高20°C)，提高了水泥中的切向拉应力。以标准水泥浆 输入和以砂岩作为地层并使用7英寸(178mm)套管进行软件模拟。固化 水泥的杨氏模量E为5Gpa，拉伸强度为3Mpa，并且在套管膨胀0.13。％时 受拉破坏。还可通过提供地层和水泥之间的滤饼层、地层和水泥或者未胶 结地层之间的间隙或者微环改变、优选减小破裂水泥所需要的应力。可由 水泥在固化期间的明显收缩形成该间隙。采用自立式7英寸套管的薄壁圆筒近似，该膨胀将需要c" 15MPa的 压差。采用软件模拟并允许水泥和岩石中的应变，拉伸断裂(失效)将需 要37MPa的升压，对于组合的拉伸环向应力和压縮径向应力需要更高应 力。将该变形套管的杨氏模量E和泊松比率v改变为对应水泥的值，将使需要的压力减小至大约15MPa，而将钢改为非金属材料(例如塑料)(E 二200MPa， v = 0.45)使破裂所需要的井孔压力减小至大约13MPa。该完井技术不需要柔性水泥。相反，优选具有最小可能拉伸强度的易 碎材料。但是，在本发明的一些实施例中，可采用柔性水泥。在某些环境 中，岩石将和固化水泥的破裂同时破裂，产生绕过内或外滤饼的可能，该 滤饼常常形成水泥和地层之间的附加层。可产生多个径向裂缝并建立微裂缝同时限制裂缝弯曲的水泥基材料 的设计很重要。该材料可以为常规水泥浆，即与其它添加剂混合或者不与 其它添加剂混合的水泥和水。可选择地，其可以是设计为可渗透并且通过 重复破裂(refractruing)可补救的水泥。但是，破裂后，所产生的渗透率 远大于渗透率的初始值。还可通过声源振动水泥以从裂缝去除碎屑。配方 将允许密度范围变化和添加降滤失剂。可根据井的方位根据需要尽量减少 或者尽量增加自由水扩展。水和水泥比率将在0.2和0.6之间变化，并且 其它添加剂可用于改变应力响应。在配方中可包括如用于常规系统的分散 剂、缓凝剂和防沫剂。尽量增加裂缝分布的方法可以为-具有可溶于油的或者疏水层的非粘接(bonding)颗粒-聚结物添加-用于裂缝延伸和增溶的纤维或者板 -乳状液滴的聚结-通过渗透膨胀产生裂纹的石油膨胀颗粒 -最大化的收缩率在上面列出的变形形式中，可将疏水颗粒或者聚合物添加至基质中以 降低生成的水对水泥基质的影响，例如结垢或者基质溶解。一般地，在石油工业向水泥加入颗粒以改变密度和增强强度和柔韧 性。这些颗粒可以为矿物基或者聚合物基的颗粒。颗粒可以具有从纤维到 板到球的任意形状。其它复杂的几何形状可适用。聚结物改变水泥基质中的应力分布以及界面处固化水泥的结构。特别 是如果在石油生产时将颗粒移除，则聚结物一水泥界面上裂纹的重新定向 可造成渗透率提高。聚结物颗粒的直径可为lmm。这些聚结物可以为来 自裂缝的矿物、粘土、花岗岩、耐热玻璃、矿渣、飞尘、压碎的混凝土、木材或者碳黑。可添加这些颗粒以提高水泥的易碎性。可选择地，在可通过水泥和聚结物之间的膨胀系数差促进基于水泥的 复合物的破裂的温度下，孔压力下降导致有效应力提高和在极端温度下水合物的分解。如果部分水泥保持未水合，则还可实现没有填料(filler)的 水泥破裂。然后，裂缝可通过硅酸盐凝胶、氢氧化钙晶体并在未水合水泥 颗粒周围形成。在选择配方中，可添加具有油溶层的非粘接(bonding)颗粒。该油 溶层可产生于添加至初始配方的沥青混合料(asphaltene)和/或树脂乳胶。可破裂水泥可由油滴以及Portland水泥、乳化剂、水泥缓凝剂和水组 成。可根据需要调整配方密度。表面剂在高pH和温度下可能不稳定，造 成聚结。在破碎过程中，水泥基石破碎，充油孔被连接。这些石油润湿孔 填充来自储层的石油，并且如果生产水则表面层可防止方解石或者其它矿 物沉淀。可以以高体积率选择木材、聚合物、粘土、聚丙烯、橡胶和水凝胶使 得当和石油接触时膨胀应力可有助于剩余水泥基质的破裂。因为产物的体积率低于反应物的体积率，所以水泥在固化时收縮。一 旦发生凝胶作用，则缺少过量水可进一步提高水泥的收縮。可通过在水泥 浆中添加渗透率降低试剂而阻止从可渗透地层吸收水。这样的收缩可造成 径向构造的裂缝。可通过提高水泥中铝酸盐相的浓度或者通过改变水和水 泥比率而最大化该收縮。可选择地，可添加膨胀剂例如氧化钙和氧化猛以 进一步提高水泥基质中的应力。在石油工业中用于储层完井的可渗透水泥的概念不是新的。这些材料 包括泡沫、油滴或者可降解颗粒。这些材料可形成用于该应用的特定水泥 的基础。在图1C和1D中以134示出的密封剂被设计为防止裂缝在环形间隙 后向上和/或向下游传播或者用作压力密封。该材料可以为改性的水泥或 者有机材料。例如在英国专利申请GB 2398582中详细描述了用于该密封 的合适材料。该材料为柔性的固化材料并且其杨氏模量大约为1000MPa 或更低。可压縮地配置该材料或者和石油接触时可膨胀。在水泥破裂需要水泥和地层之间的滤饼的情况下，可能必须改变现有以保证出现该层。但是，在其它情况下滤 饼的存在可能减小经过破裂的水泥的流动，因此可保证完全去除滤饼。在常规水平固井中，需要以6m间隔设置扶正器以获得推荐的至少67 X的API偏距比(stand—off)并允许合适的水泥充填。对这些应用，优 选居中的套管。但是由于不需要充分清洁孔所以偏距比不严格。扶正器可 以间隔开超过6m并且可以为摩擦减小的滚轮或者专用滤饼去除装置。可 选择地，可将扶正器设计和设置为允许水泥湍流填充以促进滤饼清除。钻井泥浆滤饼形成在储层岩石外侧，并且如果岩石渗透率高于-来自 储层的50mD聚合物(黄原胶、淀粉、硬葡聚糖)，则钻井液可侵入岩石。 该侵入将导致生产率降低。在填充水泥后将不能进行任何常规的清除工 作。 一种选择为钻探欠平衡目的层，减少侵入并因此产生滤饼。可选择 地，固化时水泥的收縮可使得滤饼不受滤饼和水泥之间压力的支承。产出 的石油可使滤饼破裂并可能替换内部固体。在水泥膨胀时也有可能改变滤 饼。在另一种方法中可在破裂时将滤饼嵌入水泥并通过声学清除工具移 走。可选择地，承载酶基破胶剂(breaker)的液体可通过水泥注入。可选 择地，可通过使注水泥流体通过而部分移走滤饼。可通过向所有基于水 泥的配方添加降滤失剂而防止水泥滤液浸入地层。在该情况中，采用声响 装置清除水泥中裂纹和移走内部滤饼是可能的。包括降滤失剂的可破裂水 泥可限制水泥固体浸入地层。可采用酸化处理增强或者恢复根据任意上述方法产生的裂缝的渗透 率。可将优化的酸性溶液挤入破裂的水泥以进行清除或者用于在进一步破 裂之前提高水泥的渗透率。可沿着套管表面放置该酸例如12%HC1 / 3% HF的混合物。该酸还可包括醋酸、蚁酸或者柠檬酸或者上述混合物。可选择地，例如用于挤注处理的材料可用于阻挡水泥中的不需要或者 大裂缝。该材料可以是基于水泥的或者有机材料或者两者的组合。可在产 水时或者在当通过筛管出沙时的异常情况中喷射该材料。该补救允许根据 需要完井控制和重新钻井。补注流体可在挠性管中传送到井中，或者其可提供给用于破裂的钉或 销(如上所述)内侧的套管。本发明的范围可扩展用于下套管井补救或者预先充填的砾石过滤层(gravel packs)的砾石充填工具。本发明的变形形式可包括如下步骤，将 可固化材料层填充于射孔套管中和采用任何一种上述方法使可固化材料 破裂的固体块或者护套以将其转化为常规砾石滤层的功能等同物。在该情 况下充填和破裂水泥可能需要采用封隔器技术隔离待放置砾石滤层(gravel packer)的井段。砾石过滤层通常具有40—50Darcy的渗透率。尽管比常规地层渗透率 大得多，但是其被设计为允许砾石过滤层在服务期限内由于被颗粒例如生 成的沙或者滤饼残渣部分阻挡而使渗透率下降。在水泥中连接套管和地 层的线性和恒定宽度的径向裂缝的简单模型中，显示由k二sw"12给定径 向流的渗透率，这里w为裂缝宽度，e为裂缝孔隙率，即s二 (线性裂缝 体积)+ (水泥总体积)。所产生沙子的颗粒尺寸通常从O.l至5mm，从 而水泥裂缝宽度应当优选为大约O.lmm，尽管如果已知所产生沙子较大时 可允许更大的宽度。采用裂缝宽度w=0.2mm,常规裂缝孔隙率0.01产生 k=30xlO—12m2，或者 30Darcy，接近于常规砾石过滤层渗透率。假定井 孔中水泥预期收縮水平为0.5%或更高，则可解释该裂缝孔隙率。其经受 如上所述的颗粒阻塞随时间退化，用于砾石过滤层。因此，当采用任何一 种上述方法置于套管井中并被破裂或者破碎时，水泥套或者水泥块可代替 完井中的常规砾石滤层。该新的砾石滤层的其中一项优点为作为浆状初始 置于井孔的潜力，并且当如上所述受到阻挡时还可进行随后的补救(重新 破裂)处理。图8的流程图描述了根据本发明的例子的一些步骤，其包括局部破裂 作为井套管的水泥的步骤81，保留该破裂的水泥层作为沙滤器的步骤82 和通过过滤器和(可选地预先形成但是初始被阻塞)套管中的开孔开釆井 的步骤83。如在上述发明概述部分所述，在步骤82，除了用作沙过滤器 以外，水泥套管中的局部裂缝可用于控制流体流入和/或流出井孔。这样， 本发明的实施例可提供对井孔局部射孔的选择，其可用于向地层中的注入 区注入流体和/或控制流体从储层至井孔的流动。
权利要求
1.一种在井中在地层和管形套管之间建立流体连通的方法，所述方法包括如下步骤在套管和地层之间的环形空间中提供可固化材料并且在固化后使可固化材料破裂，从而通过套管中的开孔建立流体连通，特征在于裂缝的位置被限定，并且破裂的材料阻挡地层沙和其它固体颗粒通过。
2. 如权利要求1所述的方法，其中可固化材料中裂缝的限定位置提供 对地层流体流入井中的控制。
3. 如权利要求2所述的方法，其中不对井射孔地提供所述对地层流体 流入井中的控制。
4. 如权利要求2所述的方法，其中可固化材料中的裂缝定位为对应一个或多个产层。
5. 如权利要求1所述的方法，其中可固化材料中的裂缝的限定位置提 供对从井中进入地层的注入流体的流动的控制。
6. 如权利要求1所述的方法，其中采用局部化的力或者压力限定裂缝 位置。
7. 如权利要求2所述的方法，其中使可固化材料破裂的步骤包括使邻近待破裂材料的套管局部变形。
8. 如权利要求2所述的方法，其中使可固化材料破裂的步骤包括对邻近待破裂材料的套管施加局部冲击波。
9. 如权利要求4所述的方法，其中通过引爆炸药产生局部冲击波。
10. 如权利要求5所述的方法，其中通过引爆成型炸药而不使用射 孔弹产生局部冲击波。
11. 如权利要求l所述的方法，其中采用套管上的力或者压力局部 化元件限定裂缝的位置。
12. 如权利要求7所述的方法，其中力或压力局部化元件为套管中 的开孔或者套管内或者外表面上的突起元件。
13. 如权利要求7所述的方法，其中突起元件包括尖锐或者刃形元件。
14. 如权利要求1所述的方法，其中采用套管上的热或者辐射局部 化元件限定裂缝的位置。
15. 如权利要求1所述的方法，其中通过在套管和可破裂性降低的 地层区域之间引入可固化材料限定裂缝的位置。
16. 如权利要求11所述的方法，其中通过从地面注入包括至少两种不同的可固化材料的流体串在套管和可破裂性降低的地层区域之间引入 可固化材料来限定裂缝的位置。
17. 如权利要求12所述的方法，其中可固化材料中的一种比另一种 更有弹性。
18. 如权利要求12所述的方法，其中可固化材料中的一种包括促进 裂纹或裂缝形成的添加剂。
19. 如权利要求l所述的方法，其中可固化材料为水泥类材料。
20. 如权利要求l所述的方法，其中采用固化后可渗透的可固化材 料增强流体连通。
21. 如权利要求l所述的方法，其中采用酸化处理增强流体连通。
22. 如权利要求1所述的方法，在设置套管之后但在初始生产之前 在套管初次注水泥时采用该方法。
23. 如权利要求l所述的方法，其用作在生产开始后的补救处理。
24. —种在井中在地层和管形套管之间建立流体连通的方法，所述 方法包括如下步骤在套管和地层之间的环形空间中提供可固化材料并且 在固化后使可固化材料破裂，从而通过套管中的开孔建立流体连通，特征 在于该套管包括预先形成的开孔，所述开孔在井中设置套管期间对可固 化材料临时堵塞，并且，在设置套管后通过设计用于防止产生沙或者固体 产物的破裂的固化材料层将套管的开孔与地层隔开。
25. 如权利要求20所述的方法，其中在可固化材料固化后去除堵塞。
26. 如权利要求20所述的方法，采用破裂步骤同时去除堵塞。
27. 如权利要求20所述的方法，采用从地层产生的流体去除堵塞。
28. 如权利要求20所述的方法，采用可溶解材料的塞子堵塞所述预 先形成的开孔。
29. —种用于防砂的套管，具有预先形成的开孔，所述开孔在井中 设置套管和可固化材料注入井孔期间被临时堵塞，所述开孔可被去除以允 许地层流体通过破裂的固化材料层流入井中。
全文摘要
描述了一种减小出砂的方法和工具，包括如下步骤，使套管周围的局部区域中的水泥护套破裂，使所述破裂的区域用作地层和套管的开孔之间的沙过滤器，所述开孔最佳地预先形成，但是被临时堵塞以允许常规的套管初次注水泥。破裂步骤还可用于重新打开堵塞的地层或者筛管的补救操作。
文档编号E21B43/263GK101253306SQ200680032136
公开日2008年8月27日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者伊恩·库珀, 加里·瑞特斯克, 斯科特·雅各布斯, 格拉尔德·米特恩, 约瑟夫·阿尤布, 艾哈迈德·哈马米, 菲利普·拉库尔-加耶, 萨德·巴尔加奇, 西蒙·詹姆斯, 让·德罗什, 贝尔纳黛特·克拉斯特 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司