使用穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂的制作方法

使用穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂的制作方法
【专利摘要】公开了将使用喷砂射孔技术产生的射孔簇的产生与包括穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂技术相组合的完井技术。喷砂射孔和使用支撑剂脉冲供送的水力压裂两者都可以通过连续管实施。
【专利说明】使用穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂
【背景技术】
[0001]通过钻出穿过含油气地层的井从地下地质地层中获得油气(油、天然气等等)。这为油气提供了到达地面的部分流动路径。为了使油气能被“生产”，即，从地层行进至井眼并最终到达地面，必须有足够畅通的流动路径。
[0002]水力压裂是用于通过放置或延伸从井眼到储层的高导流性裂缝提高井产量的主要措施。在第一阶段期间，水力压裂流体以高速率和压力通过井眼注入到地下地层中。压裂流体注入速率超过渗入地层的速率，从而，在砂面产生增加的水力压力。当压力超过临界值时，地层或岩石开裂并且断裂。地层裂缝比地层孔隙度更具可渗透性。
[0003]在下一阶段期间，支撑剂被放置在裂缝中，以防止裂缝在注入停止后闭合。所产生的张开的裂缝能使可开采流体(即，油、气或水)的流量增加。可以使用许多其它的支撑剂，例如砂、砾石、玻璃珠、胡桃壳、陶瓷颗粒、烧结铝矾土以及其它材料，包括球形、圆柱形或不规则形状的支撑物。
[0004]水力压裂流体是包含增稠剂的水溶液，例如水溶性多糖，以便提供充足的粘度来输送支撑剂。典型的增稠剂是聚合物，例如胍尔胶(植物多糖)和胍尔胶衍生物(羟丙基胍尔胶、羧甲基氢丙酯)。也可以使用其它的聚合物作为增稠剂。具有胍尔胶的水是线性凝胶，其粘度随聚合物的浓度增加而增加。使用交联剂提供聚合物链之间的关联以形成增加凝胶粘度并且产生粘弹性的足够强的结合。用于胍尔胶的常用的交联剂包括:载有硼、钛、锆、铝的化合物。
[0005]可以使用纤维提高压裂流体输送支撑剂的能力并且减少支撑剂在水力压裂内的沉降。对于以段塞或脉冲泵入支撑剂的作业，也可以使用纤维减少支撑剂段塞在完井中行进以及进入裂缝时的分散。
[0006]也可以在水力压裂处理的后一阶段使用支撑剂倒流控制剂，以限制放入地层的支撑剂的倒流。例如，支撑剂可以由在井下条件中激活的可固化的树脂涂敷。也可以使用不同的材料，例如纤维束，或者纤维状或可变形材料，以保留裂缝中的支撑剂。纤维很可能在支撑剂填充层中形成限制支撑剂倒流的三维网络。
[0007]水力压裂处理的成功与否取决于水力压裂导流率和裂缝长度。裂缝导流率是支撑剂渗透率和裂缝宽度的乘积；单位通常用毫达西-英尺表示。裂缝导流率受多个已知参数的影响。支撑剂颗粒尺寸分布是一个影响裂缝渗透率的重要因素。裂缝面之间的支撑剂浓度是另外一个因素(用每平方英尺的裂缝表面有多少磅支撑剂表示)，并且影响裂缝宽度。可以考虑使用高强度支撑剂、具有优良的支撑剂传输特性的流体(使裂缝自身内重力驱动的沉降最小化的能力)、高支撑剂浓度或大支撑剂作为提高裂缝导流率的方法。弱材料、支撑剂输送能力差以及窄的裂缝都会导致井产量低。强度低的价格相对低廉的材料、例如砂用于具有小内应力的地层的水力压裂。成本更高的材料，例如陶瓷、铝土矿以及其它，用于具有小到中等的闭合应力的地层。成本更高的材料，例如陶瓷、铝土矿以及其它，用于具有更高的闭合应力的地层。
[0008]支撑剂填充层必须产生具有高于周围的地层岩石的水力导流率的通道。裂缝内的支撑剂填充层通常被建模为可渗透的多孔结构，并且地层流体穿过这个层的流量通常使用著名的达西定律(Darcy’ s Law) (I)或Forscheimer方程(2)被描述:
[0009](I) οΡ/οχ=-(μιιΛ);
[0010](2) apax-[(pm/k)+ppU2]?
[0011]其中，
[0012]P是裂缝中的流体压力；
[0013]X是从井眼沿着裂缝的距离；
[0014]μ是地层流体的粘度；
[0015]u是地层流体的流动(渗入)速度；
[0016]k是支撑剂填充层的渗透率；
[0017]β是被称作贝塔因子的系数，其描述对达西渗入定律的非线性修正；以及
[0018]P是地层流体的密度。
[0019]裂缝渗透率与裂缝宽度相乘的结果被称为“水力导流率”。裂缝设计最重要的方面是针对特定地层条件 的水力导流率的优化。
[0020]裂缝优化过程要在支撑剂强度、水力压裂导流率、支撑剂分布、材料成本以及在特定储层中执行水力压裂处理的成本之间寻求平衡。大支撑剂颗粒尺寸的情况是在优化过程期间做出的折中。使用大直径支撑剂，水力压裂导流率的大幅增加是可能的。然而，在给定的内部地层应力下，大直径支撑剂在受到高裂缝闭合应力时，会在更大的程度上被压碎，从而导致支撑剂填充层的有效的水力导流率降低。而且，支撑剂颗粒越大，它们越受到注入点附近的裂缝中的桥接和捕获的影响。
[0021]在此通过引用并入该专利的美国专利6，776，235，“水力压裂方法”(“HydraulicFracturing Method”)公开了用于优化裂缝导流率的方法和手段。井导流率通过向井眼中顺序注入输送支撑剂的能力不同的，或输送的支撑剂的量不同的压裂流体的交替阶段而增加，以改善支撑剂放置。按照这个处理得到的张开的裂缝具有以一系列沿裂缝延伸的支撑剂束为特征的样式。换句话说，这些束形成使裂缝沿其长度保持张开但是提供很多通道供地层流体流通的“柱”。
[0022]通常使用用于表面处理和切割的水力喷砂方法在套管和地层中切割出射孔或槽，替代使用聚能射孔弹或铣切割器。
[0023]用水力喷砂射孔在地层中切割槽的装置可以包括悬挂在井内的油管上的射孔器，在地面上有水力喷砂射流生成器。该射孔器可以包括具有两个相反的侧向定向的喷嘴，它们指向井壁。水力喷砂浆液可以在水力喷砂喷射生成器中制备，并且通过油管和井底装置泵入到射孔器中。其它的喷砂射孔装置在本领域内是已知的。

【发明内容】

[0024]提供这个
【发明内容】
部分是为了介绍下面在详细的描述中将进一步描述的经过选择的概念。此
【发明内容】
部分并不意图确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用来帮助限定所要求保护的主题的范围。
[0025]为了本公开的目的，术语“射孔”和“站”可以互换，并且将使用术语“射孔”。另一方面，一簇可以包括一个或多个射孔。如果簇包括多个射孔，这些射孔相对紧密地聚集在一起，并且通常使用具有多个喷嘴的喷砂喷嘴射孔工具同时形成。多个簇是指被未被射孔的层段隔开的单独的簇(即，一个或多个射孔)。
[0026]在一个方面，公开了一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分。所公开方法可包括:使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的至少一簇射孔。所公开方法还可包括:将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼并使得穿过所述簇。所公开方法还可包括:将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过所述簇射孔。所公开方法还可包括:重复将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以提供具有不同支撑剂浓度的附加的(即，第二、第三、第四等)携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过所述簇射孔。该方法还可以包括:使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的附加的簇，其中，附加的簇与其他的簇被未被射孔的层段隔开。该公开的方法还可以包括:同时处理所有的簇，如上面所讨论的，先是不含支撑剂的压裂流体，然后是携带支撑剂的浆液。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1示出了被未被射孔的层段分离的多个预估射孔簇，它们可以由喷砂射孔形成。
[0028]图2示出了环形空间压裂和喷砂射孔工具。
[0029]图3以图表示出了根据本公开的压裂泵入规划。
[0030]图4是根据喷砂技术产生的洞穴或射孔的照片。
[0031]图5是示出根据本公开的射孔和泵入规划的流程图。
【具体实施方式】
[0032]本公开涉及改进的喷砂射孔技术(该技术能够产生被未被射孔的层段分离的预估射孔簇)与随后的包括支撑剂脉冲供送的改进的水力压裂技术的组合。从I到100或更多的簇的任何位置可以被一起处理，每个簇可以包括I到20或更多的射孔。每个簇的长度可以高达5米或更多，未被射孔的层段的长度可以在大约10厘米到大约5米或更多的范围内。喷砂射孔可以可选择地通过连续管执行，随后的压裂技术可以可选择地通过由连续管和套管产生的环形空间执行。当然，可以采用对本领域技术人员显而易见的其它的技术。
[0033]喷砂射孔可能比聚能射孔具有多种优势，因为喷砂射孔可以允许对射孔簇位置和射孔簇之间的未被射孔的层段采用可选择的方法。喷砂射孔还可以使得套管内的射孔的数量显著减少，但是仍然可以提供无风险的支撑剂导入，这是由于通过喷砂射孔技术在水泥和地层内产生的洞穴的表面积大。另外，这样的洞穴可以连接井眼与裂缝。
[0034]在一个实施例中，喷砂射孔方案可以包括高达5米长的射孔簇，且还可以包括簇之间的未被射孔的层段，该层段的长度可以从大约10厘米到5米或更多。根据诸如地层厚度、井眼偏离以及裂缝设计参数的因素，用于压裂处理的簇的数量可以在I到100之间变化，或为任何合适的数量。根据诸如地层特性和压裂处理设计细节的因素，每个簇中的射孔的数量可以在I到20(或更多)之间变化，或为任何合适的数量。在一个例子中，每个簇可以包括I到6个通过穿过射孔器的喷嘴的流体射流以切向上不同的方向产生的射孔或洞穴。图1示出了这样的射孔方案的示例，图2示出了喷砂射孔装置的示例。
[0035]图1示出了内衬有套管11的井眼10的剖面图，环形空隙位于套管和地层12之间并填充有水泥13。图1示出了多个射孔簇14，在图1示出的实施例中，每一个射孔簇包括I个到4个形成延伸穿过水泥13并且进入地层12的洞穴的射孔15。簇14可以被未被射孔的层段16彼此分离。尽管每个簇14可以使用下面公开的改进的水力压裂技术单独地被处理，但每个簇14也可以使用公开的水力压裂技术同时被处理。
[0036]图2示出了用于形成图1中示出的簇14的喷砂射孔工具19。工具19包括接箍定位器/扶正器20、连接器22和喷砂接头23。接箍定位器/扶正器20连接于连接器22下方，该连接器22可以用于将工具19连接到连续管(未示出)或其它的下井仪器串(未示出)。接箍定位器20用于基于位于井套管11中的接箍24(图1)来确定工具19何时位于井中的特定的目标区域内。尽管图2的实施例包括接箍定位器/扶正器20，但这个装置也可以是用于确定井眼10内的井下组件的位置的多种井下装置中的一种。断开工具22可以可松开地将工具19连接到连续管、下井仪器串、钻杆、缆线等的底端。具有圆头25的逆止阀位于工具19的远端处。
[0037]—旦工具19已被设置在新的目标区域内并且喷砂接头23位于合适的位置上时，携带喷砂的流体可以通过位于喷砂接头23的外部上的喷射端口 27以高压被泵入。例如，20/400ttowa的砂可以通过喷砂接头23被泵入以在如图1所示的期望位置处产生穿过套管11的射孔15。使用20/400ttowa的砂通过喷砂接头23泵入可以只需20分钟在目标区域中的套管11和水泥13上射孔。得益于本公开的本领域普通技术人员会意识到，工具19还可以用于在油管上射孔。喷砂接头23的喷射端口 27的结构可以变化，以改变由喷砂接头23产生的射孔的数量和位置。各个喷射端口 27的结构还可以变化，以改变喷砂接头23的切割功率。
[0038]在套管11 (或油管)已经被射孔之后，如图1所示，工具19可以从井眼10中撤回，或者，如果工具19被置于连续管(未示出)的一端，该工具可以从射孔15移开，以提供足够的环状流路来允许射孔15增产。
[0039]压裂流体以高压沿套管11泵入，以试图穿过目标区域中的射孔15生成裂缝。
[0040]在用于地下地层的水力压裂方法中，称为“前置液阶段”的第一阶段包括以在地层中产生水力压裂的足够高的流速将压裂流体注入井眼中。泵送前置液阶段，直到裂缝具有足够的尺寸，以容纳在支撑剂阶段泵送的随后的浆液。前置液的体积可以由裂缝设计领域中的技术人员来设计。
[0041]水基压裂流体是常用的(其中，天然或合成的水溶性聚合物被添加以增大流体粘度)，且在整个前置液和随后的支撑剂阶段使用。这些聚合物包括但不限于:瓜耳豆胶；甘露糖和半乳糖的糖类组成的高分子量多糖；或瓜耳胶衍生物，例如，羟丙基胍尔胶、羧甲基胍尔胶、羧甲基羟丙基胍尔胶。基于硼、钛、锆或铝复合物的交联剂通常用于增加聚合物的有效分子量，使其更好地适于在高温井中使用。
[0042]在小的程度上，纤维素衍生物，例如，羟乙基纤维素或羟丙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素，与交联剂一起使用或者不与交联剂一起使用。两种生物聚合物-黄原胶和硬葡聚糖-具有良好的支撑剂悬浮能力，但比胍尔胶衍生物更昂贵，所以不常用。聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物以及共聚物通常用于高温应用或用作用于所有的温度范围的低浓度的摩擦减低剂。
[0043]没有聚合物的水基压裂流体可使用粘弹性表面活性剂获得。通常，这些流体通过混合在适量的合适的表面活性剂(例如，阴离子、阳离子、非离子和两性离子表面活性剂)中来制备。粘弹性表面活性剂流体的粘度归因于由流体的组分所形成的三维结构。当粘弹性流体中的表面活性剂浓度显著地超过临界浓度，并在大多数情况下，在存在电解质时，表面活性剂分子聚集成种类，例如，蠕虫状或棒状胶束，它们可以相互作用，以形成表现出粘性和弹性特性的网络。
[0044]在“前置液阶段”之后，称作“支撑剂阶段”的几个阶段被注入地层中。支撑剂阶段包括以固体颗粒或粒体的形式周期性地引入到压裂流体中以形成悬浮液。支撑剂阶段分为两个周期性重复的子阶段:“载体子阶段”包括注入不含支撑剂的压裂流体；“支撑剂子阶段”包括添加支撑剂到压裂流体中。由于包含颗粒状支撑剂材料的浆液的周期性供送，支撑剂没有完全填充裂缝。相反，间隔开的支撑剂团块作为柱形成，它们之间的通道可供地层流体流动通过。泵送的支撑剂和载体子阶段的体积可以不同。也就是说，载体子阶段的体积可以大于或小于支撑剂子阶段的体积。此外，这些子阶段的体积可以随着时间改变。也就是说，早期在处理中泵送的支撑剂子阶段可以比稍后在处理中泵送的支撑剂子阶段的体积小。这些子阶段的相对体积由工程师基于期望被支撑剂团块支撑的裂缝的表面积的大小和裂缝面积中的多少被期望作为地层流体自由地流过的开放通道来选择。作为非限定性的示例，载体子阶段或支撑剂子阶段的体积可以为零。
[0045]下面的表1示出了支撑剂阶段的样本泵入规划。
[0046]表1:
[0047]
【权利要求】
1.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括: 使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的具有至少一个射孔的第一簇； 将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中并使得穿过第一簇； 将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过第一簇。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括: 将一种不含支撑剂的压裂流体与附加的支撑剂组合以提供一种或多种支撑剂浓度不同的附加的携带支撑剂的浆液，并且对于每一种附加的携带支撑剂的浆液，交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得穿过所述至少一个簇。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个附加的携带支撑剂的浆液与第一携带支撑剂的浆液具有不同的支撑剂浓度。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括: 使用水力喷砂射孔 形成穿过套管且进入地层中的具有至少一个射孔的第二簇，其中，第二簇与第一簇由未被射孔的层段分隔开； 将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过第一簇和第二簇； 交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过第一簇和第二簇。
5.如权利要求1所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，第一簇和第二簇分别包括大约I个到大约10个射孔。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括: 形成I个到大约100个附加的簇； 将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过所有簇； 交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过所有簇。
8.如权利要求1所述的方法，其中，先注入每一第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体的操作以一系列大体均匀的脉冲执行。
9.如权利要求1所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。
10.如权利要求3所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。
11.如权利要求6所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一簇的形成通过连续管执行，交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过第一簇的操作通过连续管和套管之间的环形空间执行。
13.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括:(a)使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的第一簇； (b)将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得穿过第一簇射孔； (C)将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液； (d)注入第一携带支撑剂的浆液并使得穿过第一簇； (e)以交替的形式重复步骤(b)和⑷。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括: (a)(1)使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的第二簇，未被射孔的层段布置在第一簇和第二簇之间； (b)(1)将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，且使得同时穿过第一簇和第二簇； (d)(1)注入第一携带支撑剂的浆液，且使得同时穿过第一簇和第二簇；以及 (e)⑴以交替的形式重复步骤(b)⑴和⑷⑴。
15.如权利要求14所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度。
16.如权利要求13所述的方法，进一步包括: 形成I个到大约100个附加的簇； 将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过所有簇； 交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过所有簇。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一簇的形成通过连续管执行，第一携带支撑剂的浆液和不含支撑剂的压裂流体的注入通过套管和连续管之间的环形空间执行。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二簇的形成通过连续管执行，第一携带支撑剂的浆液和不含支撑剂的压裂流体的注入通过套管和连续管之间的环形空间执行。
19.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括: 使用喷砂射孔形成2到大约100簇射孔，未被射孔的层段位于每簇之间； 将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得穿过这些簇； 将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过这些簇； 将一种不含支撑剂的压裂流体或第一携带支撑剂的浆液与附加的支撑剂组合以提供支撑剂浓度不同的附加的携带支撑剂的浆液，并且对于每一种附加的携带支撑剂的浆液，交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得穿过第一和第二簇。
20.如权利要求19所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度，并且 其中，这些簇分别包括大约I个到大约10个射孔。
【文档编号】E21B43/114GK103987917SQ201280061119
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月11日 优先权日:2011年10月12日
【发明者】A·尤金, K·M·利亚普诺夫, F·N·利特维涅茨, K·布尔金, A·佩娜 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司