增强动态负压系统和优化枪重量的方法

专利名称：增强动态负压系统和优化枪重量的方法
技术领域：
本发明主要涉及石油和天然气工业中使用的用来爆炸性射孔的活性聚能射孔弹， 特别涉及一种改进的对油井套管和地下含油气地层进行爆炸性射孔的方法，同时提高动态负压系统的效能，并降低总射孔密度和成本。
背景技术：
油井通常采用横跨目标地层的水泥套管来完井，以保证钻孔的完整性并可向地层内特定区间选择性注入和/或从地层内特定区间选择性采出流体。需要在该横跨各目标区域的套管上钻孔以使流体可流入或流出。几种用于在所述套管上钻孔的方法，包括机械切割、水力喷射、弹枪以及聚能射孔弹。大多数情况下优选的解决方法是聚能射孔弹射孔，因为可在较低成本下同时产生大量的孔。此外，在钻井和完井过程中，穿透地层的深度足以绕过由不相容流体侵入造成的近井渗透率的减少。图1描述了由带有炸药16的圆柱形射孔弹载体14构成的射孔枪10(也称为射孔器)，通过电缆、钢丝绳、线圈制管或接合管20的组件引入油井套管内。可利用本领域已知的任意技术将载体14放入井套管内。在井场，将炸药16放入射孔弹载体14中，然后将射孔弹载体14降入油和气井套管中至含油气地层12的深度。炸药16从射孔弹载体14向外发射并穿过套管壁及含油气地层12。图2中有最佳的描述，穿过套管壁并进入地层12产生的坑道较狭窄。当射孔弹射流穿透岩石地层12时会减速，直至最后射流尖端的速度降到继续穿透所需的临界速度以下。射孔过程中产生的颗粒碎片22形成堵塞的坑道尖端18，阻塞了井中油和气的产出。使用聚能炸药的射孔是不可避免的剧烈事件，导致穿透岩石的塑性变形、颗粒压裂和进入坑道周围岩石孔隙喉道的颗粒碎片(套管材料、水泥、岩石碎片、聚能射孔弹碎片) 的压实。因此，当射孔枪确实可以从含油气地层生产流体的同时，射孔枪的发射将碎片22 留在射孔坑道内及坑道壁内的事实证明，传统射孔枪的效果是有限的。此外，进入周围孔隙喉道的颗粒碎片的压实形成围绕射孔坑道渗透率减小(扰动岩)的地带26，常被称为“压实带”。尽管压实带沈环绕坑道一般只有约四分之一英寸厚，但是对坑道的入流和外流潜力造成不利的影响(通常被称为“表皮”效应(skin effect))。岩石的塑性变形形成环绕坑道应力增加的半永久地带观，被称为“应力笼”，其进一步削弱了坑道中的压裂造缝。留在坑道尖端中的碎片的压实团块通常非常硬并且几乎不可渗透，这进一步减少了坑道的入流和 /或外流潜力以及有效坑道深度(也被称为净坑道深度)。射孔后的坑道延伸伸入周围地层的距离，常被称为总穿透，是聚能射孔弹的炸药重量；套管尺寸、重量和等级；当时地层强度；以及射孔时作用于地层的有效应力的函数。有效穿透是对流体入流或外流有贡献的总穿透的分数。这是由射孔事件完成后留在坑道中的压实碎片的量决定的。射孔之间的有效穿透可能差别很大。目前，没有测量钻孔中有效穿透的方法。达西定律将流过多孔介质的流体与渗透率及其它变量关联起来，并由以下方禾呈表不
其中q=流率，k=渗透率，h=储层高度(reservoir height), Pe=储层边界处的压力， Pw=井压，μ =流体粘度，re=储层边界的半径，rw=井半径，和S=表皮系数。有效穿透决定有效井半径，rw，达西方程中关于径向入流的一个重要的项。当在钻井和完井过程中发生近井地层损害时，例如，由泥浆滤液侵入造成损害时，该项变得甚至更加重要。如果有效穿透小于侵入深度，那么液流会被严重削弱。为使射孔损害最小并优化坑道的生产，目前从坑道中清除碎片的程序依靠在地层和油井之间形成较大压差，或形成负压，其是指地层压力大于井压。这些方法试图通过以下方式增强坑道的清理在射孔事件前、过程中和事件后立即控制井中静态和动态压力行为， 维持地层向井的压力梯度，引起坑道周围受损压实的拉伸破裂以及将碎片从射孔坑道转移到井中的涌流。图3描述了炸药16点火后负压情况下的清理涌流。流体流过坑道并穿过坑道开口 M出去时，射孔形成的碎片22被带走。但是，如果储层压力和/或地层渗透率低， 或井压不能大幅降低，可能没有足够的驱动力移除碎片。因此，在许多情况下，难以或甚至不可能在地层和油井之间产生足够的压力梯度。 例如，在非均勻地层中——其中岩石性质例如硬度和渗透率在射孔区间内变化显著——和在高强度、高有效应力和/或低天然渗透率的地层中，负压技术变得越来越不那么有效。由于所有的坑道都通过常压水槽并行清理，在射入较差岩层的射孔能流动之前，射入较高渗透率地带的射孔将优先流动和清理，消除压力梯度。由于最大的压力梯度受限于储层压力和井中可达到的最小流体静压力之间的差，射入低渗透率岩石的射孔可能永远都没有足够的涌流来清理。在这些情况下，射孔效率可能低至总射孔数的10%。为解决这些问题，已开发出在形成射孔坑道之后立即在枪周围产生动态负压的方法。例如，美国专利7，121，340公开了一种减压器，置于射孔枪附近，用于减少爆炸后枪内的压力，以增强枪中的动态负压效应并使得近井流体流入枪中。美国专利6，732，298利用多孔固体围绕射孔枪，当枪引爆后多孔固体被压实，以产生新的流体能在其中流动的井体积，从而增强枪周围的瞬时压力。其它方法利用枪内的体积产生动态负压。但是，这通常要求减少枪内的聚能射孔弹的数量并因此，减少射孔密度并增加了低射孔效率的风险。低射孔效率、未充分清理的坑道和/或不足的射孔密度限制了油井和流体可流过区域的总入流和/或外流潜力，导致压降和腐蚀增加，并削弱压裂造缝和裂缝延伸。因此，需要一种产生动态负压的方法，同时保证基本每个射孔弹都有效地产生坑道并基本清理坑道
发明内容
因此，本发明提供了一种在非均勻地层中使用常规射孔器时减少其所受影响的方法。特别是，通过在射孔枪的射孔弹载体内使用活性聚能射孔弹，提出的方法可增强动态负压效应而不会降低总射孔效率。因此，本发明提供了一种改进的方法，通过减少射孔密度以产生动态负压，同时提供较大的总有效射孔数。尽管减少了枪内射孔弹的数量并减少了射孔密度，但是有效射孔密度没有受到影响。此外，枪膨胀的趋势减少，从而减少了难以从井中取回使用过的枪的风险。另外，在相同射孔条件下，与常规聚能射孔弹所能达到的相比， 此处提出的方法可达到更优的入流和外流性能。这进一步提高了注射参数和效果，并增加了油气产出。


结合附图并参考以下详细的描述可更完整地理解本发明的方法和装置，其中 图1是油井套管内现有技术射孔系统的截面图2是现有技术方法产生的射孔坑道内经过压实填充的截面特写图； 图3是一用过的采用现有技术的负压方法清理射孔坑道的常规射孔装置的截面图； 图4主要描述了本发明方法的流程图5描绘了在本发明中使用的具有内部自由枪体积的中空射孔弹载体；
图6A是活性射孔弹爆炸进入含油气地层后产生的射孔坑道的截面特写图6B是图6A射孔坑道以及用本发明方法得到的较宽和较干净的射孔坑道的截面特写图。当用于附图的多个图中时，相同的数字代表相同或相似的部分。此外，当词语“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”、“上端”、“下端”、“高度”、“宽度”、“长度”、“末端”、“旁边”、“水平”、“垂直”和类似的词语在本文中使用时，应理解，这些词语仅指附图所示的结构并仅用于辅助描述本发明。所有图的绘制仅为了容易理解本发明的基本教导；在阅读和理解本发明以下教导后，关于形成优选实施方案的数字、位置、关系和各部分尺寸的图的延伸将被解释或将在本领域技术内。此外，在阅读和理解本发明以下教导后，符合特定的力、重量、强度和类似要求的准确尺寸及尺寸比例将与本领域技术内的类似。
具体实施例方式本发明提供了一种改进的用于油井射孔及在射孔弹载体内产生局部负压效应而不影响射孔密度的方法。调整枪的自由体积以产生动态负压时，存在从射孔坑道内清除碎片和减少射孔总孔数之间的权衡。为最大化在射孔枪内和周围维持的动态负压压力，必须增加自由枪体积，由此导致射入地层的总发数较少。即，通过从正常的满载的射孔枪中减少装入的聚能射孔弹的数量，增加动态负压效应。通过使用活性聚能射孔弹，本发明可使用较少的射孔弹(以增强动态负压效应)但却可减少低射孔效率的风险。通过在聚能射孔弹引爆后立即引入第二爆炸事件、反应或能量释放，射孔效率和坑道清除得到改善。此外，随后消除了射孔坑道周围的压实带并释放射孔坑道周围的应力笼。在另一个实施方案中，通过构建用较轻级别的钢制成或具有较薄的壁厚的枪载体，可减少枪载体的重量和成本。通常，在射孔系统中用于在油井射孔时增加动态负压的改进方法，如图4所描述，包括步骤提供具有大体空的内部体积的射孔弹载体；调整射孔弹载体内部体积，通过在每单位长度射孔弹载体内增加至少一个活性聚能射孔弹，使得所述内部体积减少；将在所述射孔弹载体内的射孔弹载体置于邻近地下含油气地层处；引爆聚能射孔弹以产生第一和第二爆炸事件，其中第一爆炸事件在邻近地层内产生至少一个射孔坑道，所述射孔坑道由压实带包围，并且其中第二爆炸事件消除了所述压实带的大部分，并且进一步其中一定体积的流体流出地层并填充枪的内部体积，产生所述动态负压。图5A描绘了具有大体上空的内部枪体积int的中空射孔弹载体14。射孔弹载体14的开口区域32通常用作射孔弹接受区域并包括接受射孔弹的内部支撑部件。因此， 如此处使用，大体上空的内部枪体积是指中空射孔弹载体，其包括用于接收射孔弹的内部支撑部件，没有填充任何聚能射孔弹，或具有大体上自由的内部枪体积，所述自由内部枪体积仅包括接受射孔弹的内部支撑部件。通过在载体14内每单位长度引入至少一个活性聚能射孔弹36，内部枪体积Vgm int减少，并产生能实现增强的动态负压效应的装载的载体。换句话说，通过在空的射孔弹载体14中加载，减少了载体内的体积，或V_int。然后射孔弹载体可放入射孔系统36中，如图5B所示。优选地，射孔系统为射孔枪。在引爆射孔系统前，在大气压力下密封射孔弹载体并将枪引入井中，邻近地层。引爆枪及其中的活性聚能射孔弹后，射孔弹载体内较大体积最终使载体接收来自地层更多的液体，产生动态负压效应。由活性聚能射孔弹导致的第二能量释放有助于从产生的坑道中驱除碎片并有助于产生一个或多个本质上相当于穿透深度的坑道深度。在一个实施方案中，井内的压力小于地层中的压力，从而建立压差。在一个实施方案中，该压差在地层内自然产生。在另一个实施方案中， 压差为制造的或人造的。控制载体14的内部体积，以引入活性聚能射孔弹，但自由内部枪体积int仍然大于满载的载体。因此，在一个实施方案中，在中空射孔弹载体内每单位长度引入至少一个活性聚能射孔弹或，在替代实施方案中，从满载的射孔弹载体中每单位长度至少移除一个活性聚能射孔弹。不管如何控制自由体积或如何调整活性聚能射孔弹的数量，只要Vgun int 仍然大于满载的载体的体积(即，射孔弹载体仅部分加载)，本发明即维持增强的动态负压， 同时仍然不影响射孔密度。一般，枪系统越大，动态负压效应变得越显著和持久。通过延长从地层弓I入流动的过程，以及通过更有效地将压降分配到射孔区间，动态负压增强了负压射孔的有效性。通过使用活性聚能射孔弹，获得了改善的效果，这有助于克服某些情况(例如不足的地层渗透率或储层压力)造成的限制。在不受理论束缚的情况下，图5A描绘了活性聚能射孔弹爆破通过油井套筒进入含油气地层后产生的射孔坑道的截面特写图。引爆时，激发的活性聚能射孔弹被引燃进入地层12并形成由压实带沈包围的坑道和塑性变形地带观。图5B描绘了一条或多条裂缝 30，所述裂缝由二次爆炸事件形成，优选在至少一个射孔坑道尖端产生。如此处使用，裂缝含油气地层是局部裂缝或分成两块或多块的裂纹或分离。另外，在上面有关现有技术方法中讨论的，压实带26被消除了，使射孔坑道的横截面直径加宽了至少四分之一英寸，改善了坑道的几何形状(geometry)和质量。应力笼观也被释放，使得总射孔效率得到改善，有效地清理了坑道。在现有技术的满载系统中，所述系统将常规射孔弹装入载体，在负压系统中枪内每英尺配置约5-12个聚能射孔弹以使岩石地层中每英尺枪中有1-6个有效的干净射孔， 假设射孔效率一般为20-50%的。通常，射孔密度每英尺减少一到两个射孔，或15-20%。相反，通过使用活性聚能射孔弹，射孔坑道内的第二爆炸事件从坑道中驱除大部分碎片，抵消了低射孔效率的任何风险。结果，由活性聚能射孔弹引爆以任意数量的方式触发的第二爆炸事件、反应或能量释放，在下面进一步讨论，降低了现有技术射孔弹所见的不足射孔的风险。爆炸事件是指能量和热的反应，包括但不限于由一种或多种用作爆破的粉末、任意化合物，或单独或结合作为产生或形成的混合物，和/或任意其它引爆剂，例如活性聚能射孔弹，所导致的反应。引爆可通过被火、热、电火花、摩擦、打击、震动点燃，或由化合物、混合物，或装置或其任意部分引爆所导致。第二爆炸事件本质上仍然包含在每个、单独的射孔坑道内；因此，第二爆炸事件也可指“局部”爆炸事件。在一个实施方案中，第二爆炸事件为强放热反应。在一个实施方案中，第二爆炸事件通过引起一个或多个强放热反应性效果来触发，以在坑道内部和周围产生近-瞬时超压。在一个实施方案中，第二爆炸事件通过采用化学反应产生。在一个实施方案中，射孔枪引爆后，射孔弹载体内或射孔枪内的金属与地层内元素之间的化学反应被用来在射孔坑道内部和周围产生放热反应。在一个实施方案中， 第二爆炸事件在引爆活性聚能射孔弹后100毫秒内发生。在另一个实施方案中，第二爆炸事件在活性聚能射孔弹引爆后200-300毫秒内发生。在任一实施方案中，第二爆炸事件在本质上完全形成一个或多个射孔坑道后立即发生，作为第一爆炸事件的结果，或在活性聚能射孔弹引爆后立即发生。在优选实施方案中，通过具有药型罩的活性聚能射孔弹产生反应效果，所述药型罩部分或整体由将在射孔坑道内反应的物质制成，所述物质或单独、或相互、或与地层的组分发生反应。在一个实施方案中，活性聚能射孔弹包括含金属的药型罩，由烈性炸药推进， 将金属以其熔融状态投射入由聚能射孔弹射流产生的射孔中。然后，熔融金属被迫与同样进入射孔中的水反应，在射孔内产生局部反应。在另一个实施方案中，聚能射孔弹包括具有控制量的双金属组分的药型罩，所述双金属组分经历放热的金属间反应。在另一个实施方案中，药型罩包括一种或多种金属，在引爆后，所述金属结合以产生放热反应。适合本发明的活性聚能射孔弹，例如，在Liu的美国专利7，393，423和Bates等人的美国专利申请公布2007/0056462中公开，两份技术公开均在此处通过引用结合到本文中作为参考。Liu公开了具有含铝药型罩的聚能射孔弹，有烈性炸药如RDX或其与铝粉的混合物推进。Liu公开的另一聚能射孔弹包括含能材料的药型罩，所述含能材料如铝粉和金属氧化物的混合物。因此，烈性炸药的引爆或燃料-氧化剂混合物的燃烧产生第一爆炸，将铝以其熔融状态推进入射孔中，引发二次铝-水反应。Bates等人公开了一种由活性药型罩制成的活性聚能射孔弹，所述药型罩由至少一种金属和一种非金属，或形成金属间反应的至少两种金属制成。通常，非金属为金属氧化物或任何来自族III或族IV的非金属，而金属选自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Si或&。引爆后，金属药型罩的组分发生反应产生大量能量。通过示例的方式而非限制本发明的范围，下面的表1指出了多种满载的系统中空的(即，自由)内部枪体积的量。每英尺射孔(SPF)指在给定英尺中可装在射孔枪中的聚能射孔弹的数量。对每个引入系统的射孔弹，自由枪体积将明显地减少，减少量为描述的每个单独射孔弹体积的一部分。通过相同的方式，对于从满载系统中移除的每个射孔弹，自由枪体积将明显地增加，增加量为描述的每个单独射孔弹体积的一部分。表1
不同系统中的自由枪体积
射孔枪自由枪体积每个单独射孔弹的体积4-1/2"5SPF97. 55in3/foot244. 5in33-3/8"6SPF42. 51in3/foot171. Oin32-7/8"6SPF33.02in3/foot100. 2in3
如表1所示，典型的枪具有4 L:英寸的外径，每线性英尺的枪装有5个39克的射孔弹，
其围绕射孔弹和相关支撑构件具有每线性英尺枪100立方英寸的残余的自由体积。每英尺移除一个聚能射孔弹增加200立方英寸的自由体积，或200-250立方英寸的自由体积，从而大幅增加系统产生的动态负压效应。因此，聚能射孔弹的移除，增加了更多的自由体积，或者简单地纳入较少射孔弹形成更多的自由体积。在一个实施方案中，例如，使用提供5 SPF 的射孔枪，当射孔弹载体每英尺仅使用4个射孔时，提供了额外大约200 inVfoot ；当载体每英尺仅使用3个射孔时，增加了大约400 in7f00t ；以及当每英尺仅使用2个射孔时，增加了大约600 in7f00t。来自上述表格的其他实施方案可类似地确定。与常规动态负压方法不同，炸药的移除不会损失或减少总射孔效率。因为每个聚能射孔弹独立地将离散量(discrete quantity)的活性物质传送到其坑道中，任意特定坑道的清理不受其它坑道的影响。因此，清理的有效性不依赖穿透点处当时的岩石岩性或渗透性。在另一个实施方案中，也可将射孔系统的重量调整至最佳重量，S卩，尽量轻，但不超出爆炸的范围或导致枪的故障。例如，大多数高性能的枪都是由高产特种钢例如G-130、 G-135或G-140制造的。在一个实施方案中，射孔枪由较轻重量等级的钢例如P-110制成。 在另一个实施方案中，枪的壁厚减少。初始壁厚的特定值和钢的选择根据具体系统而不同并随压力等级的量和所需的枪膨胀而变化。本领域技术人员，在阅读本公开后，可基于如地层和井压力等因素调整这些特定的值。此外，通过使用较少的射孔弹，射孔枪在其中传送的聚能射孔弹引爆后膨胀或破裂的趋势减少了，降低了取回使用过的枪时遇到问题的风险。因此从该系统可获得显著的优势，其中可在射孔枪内移除一个或多个聚能射孔弹或使用较少的射孔弹，而不牺牲系统产生的有效射孔密度。射孔枪系统的射孔密度可通过调整任意给定距离内聚能射孔弹的数量来改变。本文描述的射孔井的改进方法优化了枪的重量，增加了动态负压，并增加了油气产出。与常规方法相比，本发明本质上消除了射孔枪产生的射孔坑道周围的压实带，产生了高得多的未堵塞坑道的比例以及未受损的坑道壁；理论上接近100%射孔效率。因此，如讨论过的，可将较少量的射孔弹引入射孔弹载体中(即，可减少射孔枪内聚能射孔弹的数量) 以产生达到动态负压的增强的方法，同时提供相当于或大于常规设计满载的射孔枪的有效射孔密度。通过消除压实带的大部分，活性射孔枪在油气生产中具有很多好处。这包括非常高比例的带有未受损坑道壁的未堵塞坑道，导致给定压力条件下注射或生产率增加；给定注射率下注射压力减少；每个开放射孔的注射或生产率降低(较少腐蚀)；注射或产生的流体在射孔区间上的分布被改善；在长期生产、泥浆处理或水力压裂增产中含支撑剂阶段的过程中，由于固体桥接(脱砂)使注射或生产能力遭遇灾难性损失的倾向减少；近井压力损失最小化；以及既定数量聚能射孔弹(为控制外流分布有限进入射孔的特定值)产生的入流或外流区域的可预测性得到改善。尽管上述的图将所有炸药描述为具有一致的尺寸，本领域技术人员可理解，根据特定的应用，在射孔系统中可能需要具有不同尺寸的炸药。本领域技术人员也理解不违背本发明范围的情况下将来可作出的几种变化。例如，在本发明范围内，炸药的位置可变化。 同样，在本发明范围内可用于发射炸药的特定技术在行业中是常规的技术并为本领域技术人员所理解。现在，对本领域技术人员来说显而易见的是，本文描述了一种改进的射孔方法，该方法可减少射孔枪发射后含油气地层中的射孔里面残留碎片的量，增加总射孔效率并在射孔枪内部和周围增强动态负压。尽管本发明已通过优选实施方案的方式描述，显而易见的是，在不违背本发明精神和范围的情况下，可作出其它调整和修改。本文采用的词语和表达被用作描述性的词语，并非限制；因此，并不意图排出等同的表达，但相反，在不违背本发明的精神和范围的情况下，其涵盖任意和所有可采用的等同用语。
权利要求
1.一种对油井进行射孔的方法，用于在井中邻近地下含油气地层处增强射孔系统中的动态负压，所述方法包括步骤a)提供具有大体上空的内部体积的射孔弹载体；b)调整所述射孔弹载体的内部体积，通过在每单位长度所述射孔弹载体内增加至少一个活性聚能射孔弹，使得所述内部体积减少；c)将所述射孔弹载体置于邻近所述地层处；d)引爆所述射孔弹载体以产生第一和第二爆炸事件，其中所述第一爆炸事件在邻近地层内产生至少一个射孔坑道，所述射孔坑道由压实带包围，并且其中所述第二爆炸事件消除了所述压实带的大部分，以及进一步其中一定量的流体流出地层并填充枪的内部体积， 产生所述动态负压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件进一步导致在所述射孔坑道尖端形成一条或多条裂缝。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述井内的压力小于所述地层内的压力，从而建立压差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述压差是自然产生的。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述压差是制造的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤e)所述第二爆炸事件形成基本等于总穿透深度的净坑道深度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤e)所述第二爆炸事件进一步释放了所述压实带周围的残余应力笼。
8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤e)所述第二爆炸事件由至少一个放热反应触发。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件在所述引爆的毫秒内发生。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件大体上包含在每个单独的射孑L坑道内。
11.根据权利要求ι所述的方法，其中所述第二爆炸事件由化学反应触发，所述化学反应包括地层内的元素和射孔弹载体内的金属的反应。
全文摘要
本发明公开了活性聚能射孔弹的使用增加了与引爆射孔系统相关的动态负压，而不影响射孔密度。装载较少的聚能射孔弹就能达到与全部装满常规聚能射孔弹的射孔枪同样或比其更好的有效射孔密度，从而增加枪内的自由体积，同时产生带有裂缝尖端的没有碎片的坑道，并局部消除每个射孔坑道周围的压实带。此外，构建枪所需的枪钢的强度和等级可降低，而不影响引爆后枪膨胀的量。
文档编号E21B43/116GK102301089SQ200980155773
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者D·S·维森, J·T·哈德斯蒂, M·R·G·贝尔, N·G·克拉克 申请人:地球动力学公司