CN101952544A - 对水平井进行水力压裂从而增产的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在地下地层中进行水力压裂，并且更具体地涉及用于优化裂缝导流能力的方法。
Description
技术领域
本发明涉及在地下地层中进行水力压裂，并且更具体地涉及用于优化裂缝导流能力的方法。
背景技术
水力压裂是一种用于通过将来自井眼的高传导性裂缝放置或延伸到储层内来增加井产能的主要工具。传统的水力压裂处理通常被认为具有几个不同的阶段。
在第一阶段期间，在高速和高压下将水力压裂流体通过井眼注入到地下地层中。压裂液注入速度超过进入地层内的过滤速度，从而增加生产层表面处的液压。当流体压力超过阈值时，地层岩层或岩石破裂并断裂。水力压裂开始并且当持续注入压裂液时水力压裂裂缝开始扩展到地层内。
在接下来的阶段期间，支撑剂与压裂液混合并且在整个水力压裂裂缝中被输送。在所设计的长度上沉积在人工裂缝内的支撑剂在停止注入之后机械地防止裂缝闭合。一旦压裂处理结束，并且井被转换到生产模式，油/气流入到裂缝并且通过支撑剂充填层沿井眼流动。油/气的开采速度基本上取决于包括地层渗透率、地层中的液压、采出液的特性、裂缝的形状等的参数的数值。最重要的参数并且在水力压裂中可以控制和调节的参数是支撑剂充填层渗透率。在多种情况中，当将支撑剂充填层的水力传导率增加到超过传统技术的限度时，可以显著提高经济效益。
迄今为止公开的许多发明旨在增加含油气层中所产生的裂缝的水力传导率。
其它发明提出了在支撑剂充填层中产生高传导性孔道。这些孔道被假设为没有支撑剂并且为储层流体提供传导性孔道。
在专利(US3850247A1，US3592266，US5411091A1，US20050274523A1，US6776235)中，通过泵送交替层段压裂料(这些交替层段压裂料的至少一个参数是不同的)而产生高传导性孔道。例如，在US3592266中，提供了通过泵送粘性明显不同的交替体积的流体而在支撑剂充填层中产生不均匀性。在US6776235中，流体的携砂能力和/或支撑剂的浓度不同。所有专利假定在压裂处理的初始阶段引入的不均匀性将在整个压裂处理过程中保持，前述压裂处理的初始阶段是当流体被混合并被泵送到井眼内时的时刻。压裂浆中的不均匀性被认为使所产生的支撑剂充填层产生不均匀性。
发明内容
提出了用于水平井的开采增产处理的新技术。所述技术基于段塞方法(slugging approach)，并与具体射孔策略结合。本发明涉及通过将不均匀的支撑剂充填层装填到裂缝内而实现裂缝传导性的大幅度增加。
附图说明
图1说明了用于在水平井中形成纵向裂缝的传统的均匀支撑剂充填层的过程(初始阶段)；
注释：1-井眼，2-支撑剂，3-射孔孔眼在套管上的排列
图2说明了用于在水平井中形成纵向裂缝的不均匀支撑剂充填层的过程(初始阶段)；
注释：1-井眼，2-支撑剂，3-射孔孔眼在套管上的排列
图3显示了用于在水平井中形成横向裂缝的不均匀支撑剂充填层(初始阶段)；
注释：1-井眼，3-射孔孔眼在套管上的排列，4-横向裂缝
图4显示横向裂缝中的不均匀充填层的示意图。到达射孔区的支撑剂的段塞在孔眼中被分成多个柱，所述柱沿径向方向自井眼传播；
注释：1-井眼，2-支撑剂，3-射孔孔眼在套管上的排列；4-横向裂缝
图5显示横向裂缝中的不均匀充填层的示意图。显示了在基于低粘度流体注入之后的支撑剂的段塞。
注释：1-井眼，2-支撑剂，3-射孔孔眼在套管上的排列，4-横向裂缝，5-通过支撑剂柱指进，注入的低粘度流体。
图6显示相邻簇之间的射孔方位的变化。这种变化对于相邻簇来说在不同的孔眼两端产生压降。压降差将使通过相邻簇的先前的柱产生不同的速度，从而防止所述柱一起被泵送并提供不均匀支撑剂充填层。
注释：1-井眼，3-射孔孔眼在套管上的排列，6-被称作为择优裂缝面(PFP)的裂缝增长的方向。
具体实施方式
本发明提出了一种在水平井应用中在水力压裂裂缝中产生不均匀的支撑剂充填层并因此产生流动可获得的传导性开口网的方法。与传统的(被均匀支撑)裂缝相比，被这种不均匀支撑剂充填层覆盖的水力压裂裂缝将具有基本上更高的传导性，并因此将增加油气开采速度。
用于在裂缝中形成不均匀支撑剂充填层的方法与具体射孔方案结合，基于将压裂液和装填有支撑剂的压裂液交替注入裂缝内。
本发明不涵盖压裂液和具有支撑剂的压裂液的交替注入，而是关注于新的射孔方案。
压裂液和具有支撑剂的压裂液的交替注入包括以下详细说明的多个阶段。
第一阶段是压裂液的注入和裂缝的形成/扩展。
第二阶段是在具体设备(所述具体设备不是给定专利的主题)的帮助下将给定体积的支撑剂添加到压裂液。(以给定支撑剂含量)与压裂液混合的给定体积的支撑剂被称作为支撑剂段塞。沿井眼将所述支撑剂段塞输送到射孔区。一个支撑剂段塞内的支撑剂的体积是重要的参数，并且对最终的裂缝的期望特性具有实质影响。为了计算所述体积，应该知道诸如岩石的杨氏模量和裂缝闭合压力的地层参数。基于含有岩石的油/气的这些参数，可计算支撑剂段塞的尺寸，使得注入的支撑剂部分能够防止裂缝闭合。所发现的是为了实现必需的传导性增加，在通常的现有泵送速度下单个段塞泵送(在地面上)的时间需要小于30-40秒。
第三阶段是注入给定体积的没有支撑剂的压裂液。在第三阶段期间注入的体积是用于产生强透水的不均匀支撑剂结构的关键参数。可由诸如岩石的杨氏模量的参数、裂缝闭合压力和支撑剂段塞的尺寸来确定没有支撑剂的压裂液的体积。所发现的是在现有的泵送速度下第三阶段泵送的时间在30-40秒以下，以防止裂缝闭合。
在第二阶段期间生成的支撑剂段塞沿井眼被输送到射孔区。已经到达射孔区的支撑剂段塞被分成多个更小部分(所谓的支撑剂柱)。孔眼簇的数量和尺寸以及段塞体积确定由一个段塞形成的柱的数量。通过压裂液将柱向下输送到裂缝。
将第二阶段和第三阶段重复所需的次数。每一个阶段的持续时间和流体中的支撑剂含量可以变化。
因此在裂缝中形成不均匀的支撑剂结构(段塞)。在裂缝闭合之后，稳定的支撑剂形成物保持裂缝壁并且防止完全闭合。
具体射孔策略是本发明的关键部分。对于水平井中的不同类型裂缝来说，射孔策略会变化。现有技术已知水平井应用中的两种类型的水力压裂。所述两种类型的水力压裂的裂缝方向不同；这产生纵向裂缝或横向裂缝。
本发明也使用射孔技术的一些说明。虽然射孔技术本身不是本本发明的一部分，但是可以在Oilfield Review，Autumn 2006，p.18-35中的“NewPractices to Enhance Perforation Results”中得到所述技术的很好说明。在以下说明中，可以使用定向和非定向射孔技术。
推荐的射孔策略如下：
1.对于纵向裂缝来说，与在以段塞的形式泵送支撑剂(图2)时的具体泵送计划结合，通过产生多组孔眼簇来实现不均匀充填。通过孔眼簇，可利用高射孔密度对孔眼间隔进行平均。所述簇被非射孔间隔分开。
2.对于横向裂缝来说，可通过产生位于同一平面处但具有不同相位(图4)的多个射孔孔眼来实现不均匀支撑剂充填层。将在不同定向的孔眼处产生支撑剂段塞的分离。应该以微小体积的段塞的形式泵送支撑剂，以防止相邻支撑剂段塞在输送期间凝结。
3.对于横向裂缝来说，可通过产生位于相同的平面但是具有不同相位(图5)的多个射孔孔眼来实现不均匀支撑剂充填层。应该在没有支撑剂的低粘度阶段之后以微小体积的段塞的方式泵送支撑剂。因为指进效应，没有支撑剂的低粘度阶段会撕裂段塞(Homsy G.Viscous fingering in porousmedia.//Annual Rev.of Fluid Mech.，1987.-V.19.-P.271.271-314)。
4.对于纵向裂缝来说，射孔孔道相对于优选断裂面(PFP)的定向(孔眼位置的相位)对于在一个簇中的孔眼的相邻孔道来说可以变化，或者可以在两个相邻簇之间变化(尽管在一个簇内所有射孔孔道的方位是相同的)。因此，换句话说，在非定向射孔的情况下，一个孔道可以具有120度相位，而另一个可以具有60度相位。或者，在定向射孔的情况下，一个孔道可以相对于PFP以30度被定向，而相邻的一个孔道可以相对于PFP以10度被定向。射孔孔道方位的这种变化将在井眼与裂缝内的压力之间产生不同的压降，从而使通过相邻射孔孔眼的支撑剂段塞穿透的速度不同。依此方式，当相邻柱彼此分隔开时，可以实现所述效应。
图6中说明了这种技术。通过在不同的簇之间改变射孔孔道相对于主PFP的方位角，可以引入两个相邻孔眼的水力阻抗之间的差，并且这将促进两个相邻支撑剂柱的明显分离。图5示出了180度相位射孔的情况，但是显而易见的是，这种角度调节技术的使用不局限于180度定向射孔的情况。通过角度调节，近井眼水力阻抗的变化可以与包括60度相位的其它射孔相位一起使用。
总之，所提供的水力压裂的新方法包括以下基本概念：
1.通过交替泵送压裂液和含有支撑剂的流体对水平井进行压裂。
2.产生具体射孔策略，从而形成具有高射孔密度的射孔孔眼簇。作为极端情况，可以产生射孔槽。射孔策略的类型取决于裂缝产生的类型。
3.对于纵向裂缝来说，用于段塞(阶段二)和清洁压裂液(阶段三)的注入时间应该较小。根据计算，仅当阶段二和阶段三的注入时间小于30-40秒时，才可实现显著的水力传导率增加。
4.对于横向裂缝来说，通过孔眼到达同一裂缝的支撑剂浆和清洁压裂液的体积对于传导性的显著增加来说应该非常小。可以通过使用限流压裂技术并且同时对几个横向裂缝进行压裂来实现期望的效果。在这种情况下，用于阶段二和阶段三的注入时间仍然应该小于30-40秒。这将产生的事实是，在泵送的阶段二和阶段三期间，移动到横向裂缝的流体和支撑剂浆的量较少，并且这使得传导率增加。
这里公开的技术方案被进一步说明如下：
模拟裂缝的壁的透明单元被设置成具有1m×40cm×1cm的尺寸。压裂液被泵送通过所述单元。流体通过用作孔眼的1cm的孔被泵送到单元内。被泵送通过所述单元的流体是含有2.4g/l聚糖的交联凝胶。支撑剂渣是含有具有AcFrac CR 20/40支撑剂添加物的2.4g/l聚糖的交联凝胶。交联凝胶中支撑剂含量是960g/l。当清洁凝胶和含有凝胶的支撑剂段塞交替时，在单元中形成不均匀的支撑剂段塞。泵送速度从1升/分钟变化到20升/分钟。根据透水性测量仪器中不均匀支撑剂段塞的模拟，显示出单元的透水性显著增加。标准支撑剂充填层在6.9MPa载荷下提供150达西的透水性，而含有不均匀支撑剂段塞的单元在6.9MPa载荷下提供3000达西的透水性。
Claims (5)
1.一种水平井的水力压裂方法，用于增加油气开采速率，所述方法包括簇状地层射孔策略，该簇状地层射孔策略与交替注入含有支撑剂的水力压裂液和不含有支撑剂的水力压裂液相结合，并形成用于开采液流动的高渗透孔道网，
其中，所述含有支撑剂的流体部分在小于30秒的时间期间被直接注入到射孔区，形成支撑剂柱，随后，在小于30秒的时间期间注入不含有支撑剂的流体部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于纵向裂缝来说，通过注入分隔开的支撑剂部分，提供具有高射孔密度的射孔间隔，来实现不均匀支撑剂分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于横向裂缝来说，通过改变相位提供位于同一平面的多个射孔，并注入很少的支撑剂部分，来实现不均匀支撑剂分布。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在含有支撑剂的流体部分之间注入含有非支撑剂的流体的部分，以形成所谓的指进效应。
5.根据权利要求1所述的方法，对于纵向裂缝来说，用于相邻簇的射孔孔道相对于择优裂缝面的方位是不同的，并且一个簇内的所有射孔孔道的方位保持相同。
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