CN101896682A - 用于降低破裂/压裂开始压力的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种小口径射孔枪包括：多个聚能射孔弹；定位装置，所述定位装置相对于斜井的向下方向定向射孔枪；聚能射孔弹定位在射孔枪内，且相对于斜井的向下方向沿预定的方向指向；其中，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.85-0.30。

Description

用于降低破裂/压裂开始压力的装置和方法
技术领域
本发明涉及射孔，更特别地讲，涉及在斜井中定向用于小口径射孔枪的射孔弹的方向。
背景技术
地下流体往往值得人们开采。这些流体通常是水、油或天然气。可选地，现有技术中公知的是，由于多种原因通常还会希望向地下区域注射流体和气体。
为了接近地下区域，建井。通常，在油气工业中，井从地面钻到地层中。这些井用金属套管罩住。为了从套管内部接近套管周围的地层以获取地层流体，射孔被形成穿过套管。
射孔通常由射孔枪形成，所述射孔枪使用射孔弹来将物质射过套管并进入到地层中，以进一步帮助地层流体流入套管环空中。
在实际活动方面，出现了许多问题。在本申请中描述和解决这些问题中的一些问题。
发明内容
根据多个实施例中的一个实施例，一种小口径射孔枪包括：多个聚能射孔弹；定位装置，所述定位装置相对于斜井的向下方向(down direction)定向射孔枪；聚能射孔弹定位在射孔枪内，且相对于斜井的向下方向沿预定的方向指向；其中，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.85-0.30。
发明内容部分涉及至少一个实施例，但并不以任何方式意味着限制本申请的任何创造性方面的解释范围和在此记载的任何权利要求的范围。
附图说明
图1是射孔枪的示意图；
图2是示出了具有60度的炮间距(shot interval)的小口径枪的示意图；
图3是示出了具有1 80度的炮间距的小口径枪的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，给出了许多细节，以便理解在此描述的实施例。然而，本领域的技术人员应当理解，现要求保护的主题可以在不具有这些细节中的许多细节的情况下实施，且可以对所述的实施例进行多种改变或修改。
在说明书和所附的权利要求书中：术语“连接”用于表示“直接连接”或“经由另一元件连接”，术语“组”用于表示“一个元件”或“一个以上的元件”。如在此所使用的，术语“井口”、“井下”、“朝上”和“朝下”、“上”和“下”、“向上地”和“向下地”、“上游”和“下游”；“上方”和“下方”；以及表示位于给定的点或元件上方或下方的相对位置的其他类似术语在本说明书中用于更清楚地描述本发明的一些实施例。然而，当应用于斜井或水平井的设备和方法时，这种术语视情况可指从左到右、从右到左或其他关系。
多级压裂涉及到完井，且包括使一串多个缆线枪在井孔中行进，所述枪选择性地在每级处一个接着一个开射，并在裂缝正被泵吸时将枪留在井中。各区域之间的流动转向通过从地面泵送一组封堵球来封堵每个区域的射孔实现。在封堵球封堵正被处理的区域的射孔时，一串枪中的另一个枪在要被压裂的下一区域处开射。为每个区域重复该操作，与这些类型的井的传统完井方式(即，设定桥塞、射孔、从井中移除枪、压裂、移动到下一区域，为每个区域重复这些操作，最后对桥塞钻孔)相比，这节省了宝贵的时间。该过程和相应的设备在现有技术中很容易理解，因此在此附图中省去了这些。
根据本申请中的一个实施例，由于多级处理方法要求正在泵吸裂缝时将枪留在井中，因此已经发现，使用小直径枪(小口径枪)是有利的，例如用于避免在缆线上产生过大张力和用于使得枪与套管的内径之间可具有足够的间隙。
然而，使用小口径枪也具有不利的问题。例如，小口径枪往往会产生尺寸明显不同的射孔。此外，由于小口径枪的尺寸和各种因素，在许多情况下已经发现具有过大的破裂压力。
因此，本申请涉及：用于以这种方式定向小口径射孔枪和射孔弹的设备和方法，以避免射孔尺寸的不利的差异；在相对于关于地层中的最小水平应力的方向的择优裂缝面(PFP)射孔；以及当使用小口径枪对井中需要压裂的层进行射孔时避免出现高的压裂破裂压力。
图1示出了小口径射孔枪300的示意图。射孔枪300由部件104优选线缆、试井钢丝、连续油管或生产油管支撑。射孔枪300包括通常为管状或圆柱形且由金属制成的本体301。聚能射孔弹(shaped charge)302位于本体301内，所述聚能射孔弹通过起爆线303连接。聚能射孔弹302具有壳、内衬、位于壳与内衬之间的炸药以及起爆物。聚能射孔弹通过起爆线303起爆。
图2和3是示意图，示出了小口径射孔枪的射击的轴向视图。小口径射孔枪201位于斜井套管202内。在图2中，小口径射孔枪201由于重力和井的偏斜而位于套管202的下部分上。混凝土203环绕着套管202。地层204环绕着混凝土203。图2示出了射孔枪201的一种结构，其中，聚能射孔弹彼此间隔开近似60度。在这种间距下，自不同射孔弹的炮眼的距离明显不同。
图3示出了一个示意图，其中，相同的附图标记与图2中示出的类似部件对应。在图3中，聚能射孔弹的角度间隔为180度，且该方向与套管的最接近枪201的切线大致平行。因此，每个炮眼至套管的距离大致相等，从而有助于射孔具有相同或类似的尺寸。
在本申请中陈述的一些实施例总体上涉及一种建井方法，包括：钻探稍微倾斜的井，可以为5-45度，但优选为大约15度，且接近或处于地层中的最小水平应力的方向上。以所述斜度和方位钻井使得可使用重力将具有以180度定相的聚能射孔弹的枪定位和定向成沿择优裂缝面(PFP)的方向射击。如果井例如沿最小水平应力的方向钻探，则如此所述地，枪可被定向成具有与枪和套管的接触点处的枪201的半径垂直的射孔，如图3所示。利用具有180度相位分布的小口径枪的所述方法的优点是，两个相位上的进入孔(EH)往往非常均匀和对称。
在本申请的情况下，特别是参看小口径枪201，小口径枪201是具有这样的最大外径的射孔枪，所述最大外径小于为特殊的套管尺寸的推荐的API直径。根据一些实施例，对于小口径枪201，小口径枪201的最大外径与套管202的内径之比可大约为0.85-0.35，且优选为大约0.8-0.4。
在此所述的一些实施例总体上涉及相对于优选的PFP在预定方向上的稍微倾斜的井的设计和使用，其中，借助于重力使用了定向射孔以使射孔与PFP对齐。此外，一些实施例涉及枪射孔弹定相和定位装置，以确保在套管中具有相对均匀的出口孔直径并确保射孔与PFP对齐或处于PFP的30度的相位分布内或接近30度的相位分布。
用于提高水力压裂的效率和有效性的建井方法包括：相对于PFP以已知的方位设计和建造(稍微)倾斜的井；将枪定位在套管的底(下)侧上；以及相对于井的方位定向射孔。这种方法的主要用途是，使具有180度的相位分布的小口径枪沿PFP的方向射击。
另一方面涉及在小口径枪201中以这种方式设计和使用炮眼相位分布，以确保射孔相对于PFP大致处于30度内，而不管枪201相对于PFP的相对取向，尽管对于小口径枪，仅沿射孔在枪与套管之间具有小的间隙的方向射击，例如，在枪与套管接触的半球的方向上以0、+60/-60度的相位分布(三相位)射击，以+/-90，+/-30度的相位分布(四相位)射击，或以图3所示地定位的180度的相位分布射击。
水力压裂的优选的射孔排列分布为在PFP的方向上即在最大水平应力的方向上的180度，如图3所示。该射孔排列分布使所有射孔与PFP关联的机会最大化，使曲折最小化，且降低了破裂和处理压力。
图2示出了在5-1/2”套管中的2”枪射击以及套管中的进入孔尺寸的从0.11”到0.5”的相应变化。如前所提及到的，孔尺寸变化引起两个问题：1)由于被泵送通过套管中的孔的液体的压降由公式1(下面给出的)给定，因此最大和最小孔之间的压降的差别可相当大，例如高于460％；以及2)较小的孔太小而不能充分地将支撑剂泵送通过它们(推荐的准则是使孔尺寸为支撑剂的直径的至少6倍)。
公式1：Ppf＝(2.03*Q2*SG)/(EH4*N2)    (射孔摩阻公式)
为了应对上述问题中的一些问题，本申请描述了使用具有这种相位分布的小口径枪201，使得炮眼沿着使射孔具有相对较小的间隙的方向设置，所述间隙由于枪相对于套管202的内径(ID)的偏心设置而通常小于0.5”。通常，这些方向位于由枪201的垂直于枪与套管的接触点的直径限定的半球内，如图3所示。而且，为了确保射孔近似在PFP的30度内，射孔可在60度内，如图2所示。满足上述标准的典型的炮眼相位分布(枪-套管间隙小于0.5”，确保具有一些在PFP的30度内的射孔)是如图2所示的0，+/-60度或+/-90，+/-30度。期望的炮眼相位分布可利用多种炮眼布置方式实现，例如：
对于图2中所示的0，+/-60度的相位分布：
0，60，0，-60，0，60...
或
0，60，-60，0，60...
对于+/-90，+/-30度相位分布：
-90，-30，30，90，30，-30，-90，-30....
或
-90，-30，30，90，-90，-30，30，90...
许多其他类似的布置方式也是可能的，包括在传统的60度定相枪中留空炮眼。
为了帮助产生均匀的出口孔尺寸，射孔枪可具有一些炸高，通常在0.5”内或为零。此外，在一些情况下，在不同的相位分布中结合不同的聚能射孔弹可用于在套管中帮助产生均匀的出口孔尺寸。
可选地，如图3所示定位的180度的相位分布也可用于垂直井中，以增大更接近PFP的机会，从而降低破裂压力。所述相位分布的优点是，由于炮眼的对称性，使得促进形成非常均匀的出口孔，而不管枪炸高或聚能射孔弹的类型。均匀的出口孔尺寸对于促进封堵球的良好作用和与多级压裂有关的适当流动转向都是非常有利的。
而且，为了便于和使得炮眼沿正确的方向指向，在此描述的实施例可使用多种定位装置的组合，例如配重、磁定位装置(MPD)、定心弹簧、陀螺仪、机械卡钳装置(MCD)或翅片(fins)，以定位枪串而使得射孔沿具有较小的水间隙的半球的方向指向。此外，旋转装置可用于消除由线缆产生的扭转，使得防止那里的枪串转动，从而将枪串保持正确地定位成使炮眼沿期望的半球的方向。
在此所述的实施例和示例是示例性的，并不意味着限制在此记载的任何权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种小口径射孔枪系统，包括：
多个聚能射孔弹；
定位装置，所述定位装置相对于斜井的向下方向定向射孔枪；
聚能射孔弹定位在射孔枪内，且相对于斜井的向下方向沿预定的方向指向；
其中，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.85-0.30。
2.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，聚能射孔弹的方向近似180度定相。
3.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，聚能射孔弹的方向近似以0，+/-60度定相。
4.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，聚能射孔弹的方向近似以+/-90，+/-30度定相。
5.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，定位装置包括从下面选择的至少一个装置：磁装置、定心弹簧、机械卡钳装置和翅片。
6.如权利要求5所述的小口径射孔枪，其特征在于，定位装置将射孔枪定位成使聚能射孔弹沿与至套管的最短路径垂直的方向指向。
7.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，它包括用于使缆消除扭转的旋转装置。
8.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.80-0.40。
9.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.70-0.40。
10.如权利要求1所述的小口径射孔枪，其特征在于，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用的套管的内径之比为0.60-0.40。
11.一种对地下油气井进行射孔的方法，所述方法包括：
确定斜井的至少一部分的方位；
将小口径射孔枪放入井中，且使用定位装置将射孔枪沿向下方向定位成接近斜井中的套管；
相对于向下方向将多个聚能射孔弹沿预定的方向定位在小口径射孔枪中；
其中，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径具有0.85-0.30的比值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，它包括：将聚能射孔弹定位成使聚能射孔弹的方向近似180度定相。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，它包括：将聚能射孔弹定位成聚能射孔弹的方向近似以0，+/-60度定相。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，它包括：将聚能射孔弹定位成聚能射孔弹的方向近似以+/-90，+/-30度定相。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，定位装置包括从下面选择的至少一个装置：磁装置、定心弹簧、机械卡钳装置和翅片。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，它包括：使用定位装置将射孔枪定位成使聚能射孔弹沿与至套管的最短路径垂直的方向指向。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，井的方位大致在最小水平应力的方向上。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.80-0.40。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.60-0.40。
20.一种用于处理由设有套管的井眼横贯的一个或多个地下地层的多层的方法，所述方法包括：
a)使用射孔装置对所述一个或多个地下地层的至少一个层进行射孔；
b)在未从所述井眼移除所述射孔装置的情况下，将处理液泵送到由所述射孔装置在所述至少一个层中产生的射孔中；
c)在所述井眼中部署一种或多种转向剂，以便可移除地阻止向所述射孔中的进一步的流体流动；以及
d)对于所述一个或多个地下地层的至少一个以上的层，至少重复步骤a)-b)；其中，在步骤a)之后和可移除地阻止向所述孔眼的流体流动之前的一段时间，所述射孔装置移动到在步骤a)中被射孔的所述至少一个层上方的位置；
其中，射孔装置包括小口径射孔枪，所述小口径射孔枪包括：
多个聚能射孔弹；
定位装置，所述定位装置相对于斜井的向下方向定向射孔枪；
聚能射孔弹定位在射孔枪内，且相对于斜井的向下方向沿预定的方向指向；
其中，小口径射孔枪的外径与小口径射孔枪所应用到的套管的内径之比为0.85-0.30。
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