CN102301088A - 增强注射作业并促进油气产出的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过从射孔坑道内和周围除去渗透率低的材料并在射孔坑道尖端产生至少一条裂缝，在得益于这种清理的多个射孔坑道的改善下，沿井的注射参数和效果例如外流速率和注射流体的分布得到了增强。引爆射孔弹载体后，第二爆炸事件在刚刚制造的坑道内被触发，由此大幅消除了压实带并改善了坑道的几何形状和质量（及长度）。另外，该反应产生了实质上没有碎片的坑道并释放残余应力笼，得到用于处理和增产的在压裂条件下极有利于注射的射孔坑道，以及促进注射流体在射孔区间均匀覆盖的坑道。

Description

增强注射作业并促进油气产出的方法

相关申请的交叉参考

本发明要求2008年12月1日提交的美国临时申请61/118,992和2009年11月30日提交的美国申请12/627,693的优先权。

技术领域

本发明主要涉及石油和天然气工业中使用的用以对油井套管和地下含油气层进行爆炸性射孔的活性聚能射孔弹，特别涉及一种改进的在注射液体或气体前对油井套管及其周围地下含油气层进行爆炸性射孔的方法，以增强注射效果、提高注射参数。

背景技术

各种注射作业(injection activity)是提高和保证油气田产出的必要做法，特别是在储层的自然开采潜力有限的环境中（例如低渗透性地层）。一般来说，各种注射作业采用特殊的化学溶液来改善采油、去除地层损害、清理堵塞的射孔或形成层、减少或抑制腐蚀、升级原油，或解决原油流量保证问题。注射可在注入井或有时在生产井中连续进行，也可以间歇进行。

在大多数情况下，准备进行注射作业的油井会用横跨目标地层的水泥套管完井，以保证钻孔的完整性并可以选择性注入地层内特定区域和/或从地层内特定区域采出流体。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、弹枪和聚能射孔弹。在多数情况下优选的解决方案是聚能射孔弹射孔，因为可以在相对低的成本下同时产生大量的孔。并且，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浸入引起的近井渗透率的减小。相对于其他方式，例如机械穿甲弹或水力研磨喷射工具，由于聚能射孔弹使用时的相对速度和简单性，大多数射孔完井依赖于聚能射孔弹的使用。但是，尽管具有这些优点，聚能射孔弹提供的是一个不完美的解决方案。

图1A描述了一种由带有聚能射孔弹16的圆柱形射孔弹载体14构成的射孔枪10（也被称为射孔器），所述射孔枪10通过接合管18的电缆、钢丝绳、线圈制管或由接合管18的组件降入油井中。本领域已知的任何技术都可以用于调配载体14进入油井套管中。在井场中，聚能射孔弹16被置于射孔弹载体14内，然后射孔弹载体14被降入油气井套管内直至达到含油气层12所在的深度。

参考图1A，图1B描绘了含油气层12旁边的常规聚能射孔弹16的放大图。聚能射孔弹16通过使用圆锥形或抛物线形金属罩24将炸药（也称为装药量）22压缩到金属壳体20里形成。当炸药22被引爆，聚能射孔弹16的对称导致金属罩24沿其轴线崩塌成狭窄、集中的快速移动的金属颗粒射流。因此，聚能射孔弹16将穿透载体14、套管26、水泥环28，最后穿透地层12。当聚能射孔弹穿透岩石时，该射流减速直到最后射流尖端速度降至其继续穿透所需的临界速度以下。

射孔是不可避免的剧烈事件，它粉碎地层岩石颗粒并导致被穿透的岩石塑性变形、颗粒压裂，并将进入坑道和坑道周围岩石的孔隙喉道的颗粒碎片（来自套管、聚能射孔弹碎片或崩解的罩的裂隙沙粒、水泥颗粒，和/或金属颗粒）压实。如图2所示的坑道32中，由射孔得到的颗粒碎片38可导致任意量的堵塞，例如，从完全堵塞开口34到堵塞坑道32或基本上填满坑道32的区域。碎片38会限制形成的坑道作为流通管道的作用，因为射孔坑道内部和陷入坑道壁的碎片可能堵塞流体或气体的入口或出口。这可能会对油井作业者造成极大操作困难并可能不得不以巨大的成本清理出碎片。

图3A是描绘了如图2所示传统聚能射孔弹16从射孔枪14发射并进入含油气地层12后形成的典型坑道的细节放大图。如图3A所示，由此产生的穿过套管壁的孔34的坑道32较为狭窄。颗粒射流碎片38和来自地层12的物质在新产生的坑道32的尖端30堆积。如图3B中的放大图所示，这种堆积在坑道尖端30的压实的碎片堆38通常非常坚硬并且几乎不可渗透，减少了坑道入流和/或外流流量，同时降低了有效坑道深度，r_e（也被称为净坑道深度（clear tunnel depth））。堵塞的尖端30削弱了油气的流动并阻塞了井中油气的产出。另外，射孔事件驱使进入周围孔隙喉道的颗粒碎片导致形成了环绕射孔坑道32渗透率减小（扰动岩）的地带36，通常被称为“压实带”，一般含有粉碎和压实的岩石。尽管围绕坑道只有约四分之一英寸厚，压实带36有害地影响坑道32入流和/或外流的流量（通常被称为“表皮”效应）。岩石在射孔过程中的塑性变形也导致形成围绕坑道的应力增加的半永久地带42，所述半永久性地带42也被称为“应力笼”（stress cage），它会损害来自坑道的压裂造缝。射孔事件是如此之快以至于相关的岩石变形和压实超过了岩石的弹性极限并导致永久塑性变形。除了多孔性和渗透性的变化，塑性变形岩石中的地应力也大幅度改变，形成延伸至超出坑道实际尺寸几英寸的应力笼42。

射孔坑道延伸进入周围地层的距离，常被称为总穿透（total penetration），它是聚能射孔弹炸药重量；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。有效穿透是有助于流体流入或流出的总穿透的分数。这是由射孔事件完成后留在坑道中被压实碎片的量决定的。射孔之间的有效穿透可能差别很大。现在，没有测量钻孔中有效穿透的方法。达西定律将穿过多孔介质的液流与渗透率和其它变量关联起来，并由以下方程表示：

其中：q=流率，k=渗透率，h=储层高度（reservoir height），p_e=储层边界处的压力，p_w=井壁处的压力，μ=流体粘度，r_e=储层边界的半径，r_w=井半径，和S=表皮系数。

有效穿透决定有效井半径，r_w，是达西方程中关于径向入流的重要的项。在钻井和完井过程中当近井地层损害发生时，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。

为优化坑道的生产潜力，现在的方法依赖于射孔过程中或射孔后的补救作业或系统配置的改进。例如，现行的程序通常依赖于在地层和井壁之间制造较大的静态压差或负压，其中地层压力大于井壁压力。在射孔前、射孔过程中和紧随射孔事件后，这些方法试图在井内通过控制静态和动态压力行为来加强坑道的清理，以便维持从地层向井壁的压力梯度，引起坑道周围受损岩石的拉伸破裂和涌流，将碎片从射孔坑道转移到井中。负压射孔包括在套管内部流体静压力小于储层压力的条件下制造穿过套管的开口，使储层流体流入井中。如果储层压力和/或地层渗透率低，或井壁压力不可大幅度降低，推动力可能不足以移除碎片。这样的技术在中至高天然渗透率（通常为300毫达西以及更高）的均匀地层中比较成功，可诱导充分的涌流以清理大部分射孔坑道。在这样的情况下，留下未堵塞的坑道百分比（也被称为“射孔效率”）通常可为射孔的总孔数的50-70%。此外，实验室的试验表明，在负压情况下制造的“干净”的射孔的净坑道深度一般在总穿透的50-90%之间变化。

在非均匀地层中——其中岩石性质例如硬度和渗透率在射孔区间内变化很大——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低效。由于所有坑道都通过常压洗涤槽（sink）并行清理，射进相对较高渗透率地带的射孔将优先流动和清理，在射入不良岩石的邻近射孔能流动前消除压力梯度。

由于最大压力梯度受限于储层压力和可在井中获得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。在这样的情况下，射孔效率可能低至射孔总孔数的10%。

在低至中渗透率储层中，水力压裂通常用于油井增产以绕开近井损害、增加有效井半径，以及增加储层和井之间的整体连接。水力压裂的执行包括在压力高至足以引起岩石拉伸破裂下注射液体。在压裂造缝压力（常被称为“破裂压力”）下，岩石打开。随着更多液体的注入，开口延伸且裂缝延伸。当正确执行时，水力压裂形成一条“通路”，与具有比周围地层高得多的渗透率的井连接。该大渗透率的通路可从井壁延伸数十或数百英尺。

射孔在任何增产措施中都起到关键作用，因为射孔形成井和地层之间唯一的连接。但是，如图2-3通过举例的方式显示，达到最佳射孔设计可能很难，因为本质上所有射孔完井都是受损的。射孔周围压实和塑性变形的地带可受到如此高的应力以致造成裂缝所需的压力远远大于未蚀变的岩石（unaltered rock）的测量裂缝梯度。在极端情况下，在达到地面设备（surface equipment）限制前蚀变岩石不可分解。当分解可能时，派生的压裂将自身定位为平行于作用在地层12上的最小应力。这会导致图4所描绘的弯路（tortuous path），导致近井压力损失增大，所述弯路通常被称为扭曲（tortuosity）。

在图4中，可以看出现有技术方法导致的不均匀和效率低下的注射和/或增产措施。当引入化学溶液时，碎片38堵塞坑道阻止溶液引入，导致横跨目标地层区间的覆盖面差。有限数量的打开（open）的射孔坑道迫使流体寻找部分堵塞的坑道周围的弯路。此外，高比例堵塞的坑道意味着只有较少打开的坑道将配合由当时岩石中的应力机制决定的优选压裂方案。在打开的坑道方向起裂后对优选破裂面的裂缝的重新定位将导致额外的扭曲。这种扭曲是过大注射压力、过早脱砂和不完全压裂增产措施执行的主要原因。

因此，未充分清理的坑道限制了注射流体可流过的外流面积；在既定注射压力下抑制注射速率；妨碍裂缝形成和延伸；增加每个打开的射孔的流率，引起不需要的、增加的腐蚀；并增加桥接跨过（bridge across）打开的射孔的固体最终导致注入能力灾难性损失（也被称为“脱砂”）的风险。此外，准确地预测一组既定射孔产生的外流面积变得非常困难，而讨论过的现有技术方法并不能弥补与受损射孔坑道相关的不确定性。

因此，当在非均匀地层使用常规射孔器时，需要一种减少其受影响的方法。也需要一种方法，减少在中至高强度岩石中塑性变形的作用并增强射孔清理，这种方法最好作为主要射孔操作的一部分得到，并且不引入额外的操作复杂性或成本。进一步，需要一种提高注射参数和注射效果的方法来增强和促进油气的生产。

发明内容

当准备进行预增产作业的坑道其预增产程序并不倾向于依靠坑道的质量——就是说，无论坑道是否堵塞和/或受损时，发现坑道的几何形状（geometry）将决定压裂措施的有效性和可靠性。本发明提供一种用于油井射孔的改进方法，该方法大幅度消除了压实带，优选地地能在射孔坑道末端或尖端产生裂缝（也被称为产生一个或多个尖端裂缝），从而改善射孔效率和有效的坑道清理。这种方法将注射过程中的近井压力损失最小化、改善了注射流体跨射孔区间的分布、减小了起裂水力压裂需要的压力，并减少了压裂操作中产生的裂缝的扭曲效果。

总的来说，所述方法包括以下步骤：在射孔弹载体内装入一个或多个活性聚能射孔弹，将射孔弹载体置于井下邻近地下地层处，并起爆聚能射孔弹。起爆时，发生第一和第二爆炸事件。第一爆炸事件在邻近地层内产生一个或多个射孔坑道，所述一个或多个射孔坑道的每一个坑道由压实带包围。第二爆炸事件导致在至少一个射孔坑道尖端形成至少一条裂缝。

在一个实施方案中，压实带通过利用化学反应被消除。通过举例的方式而非限制，射孔枪起爆后，熔融金属和氧载体（例如水）之间发生化学反应，在射孔坑道内和周围产生放热反应。在第二个和优选的实施方案中，射孔坑道内和周围的射孔弹药型罩组分（shaped charge liner component）之间强放热的金属间反应消除了压实带。优选地，引起的二次反应也在坑道尖端（或末端）产生至少一条裂缝。

通过使射孔坑道尖端产生裂缝，坑道产生过程中由岩石塑性变形引起的残余应力笼被释放，减少了随后注射作业中产生裂缝所需的流体压力。通过从射孔坑道中移除压实带碎片，入流和/或外流流量由此显著增强并获得了更多的好处。在不限制本发明范围的情况下，本方法增强了许多注射作业，这在下面进一步讨论。

附图说明

结合附图并参考详细的说明可以更完整的理解本发明的方法和装置，其中：

图1A是油井套管内常规的射孔枪视图；

图1B描绘了图1A射孔枪聚能射孔弹的截面特写图；

图2是在油井套管内部引爆后利用现有技术方法的典型的常规射孔装置图；

图3A是采用典型的聚能射孔弹射孔后图1地层的截面图；

图3B描绘了现有技术方法中图3A中射孔坑道尖端内或周围受到的损害机制的放大图；

图4是通过典型的现有技术方法射孔后对油井进行注射和增产措施以生产油和/或气的截面图；

图5是描绘本发明方法的流程图；

图6是利用本发明方法引爆射孔装置后形成的坑道的截面图；

图7是采用本发明方法后油井中改进的注射作业的截面图；

图8描绘了由阶梯测试计算得到的常规射孔弹(conventional charge)对活性射孔弹(reactive charge)总近井压力损失的比较的一个实施例的图示；

图9是将常规射孔弹和活性射孔弹的计算近井压降（‘扭曲’）进行比较的一个实施例的图示；

图10是将常规射孔弹和活性射孔弹基于射孔摩擦的计算压力损失进行比较的一个实施例的图示；

图11是比较所研究实施例的抽运功率要求的图示；

图12A是适用于本发明的射孔弹载体的一个实施例的截面图；

图12B描述了活性射孔弹爆炸后进入含油气地层产生的射孔坑道的截面特写图；

图12C是二次爆炸反应发生后图12B射孔坑道的截面特写图。

当用于多个附图时，相同的数字代表相同或相似的部分。另外，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。另外，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。

具体实施方式

上述提出的发明涉及一种改进的在套管井上射孔的方法。最终形成的坑道深度和面积的增加提高了注射参数（例如压力、速率）和注射效果（例如外流速率、沿井的外流分布、裂缝产生）。通过从射孔作业产生的高比例坑道中移除碎片，随后注射作业中注射流体或气体所需的压力减小。并且，注射流体或气体在射孔区间的分布得到改善。通过使射孔坑道尖端产生裂缝，射孔过程中由岩石塑性变形引起的残余应力笼被释放。因此，实现了随后注射作业中起裂水力或气体引起的裂缝所需的流体压力的减少。来自围绕井壁不同方向设置的多个射孔坑道的水力压裂的起裂将近井压力损失的风险及产生的裂缝的扭曲最小化，减少了进行裂缝增产（fracture stimulation）需要的液压马力（hydraulic horsepower）的量，其中所述坑道大部分没有被堵塞。这种方式增加了在完井过程中执行增产措施的可能性，并且没有超出设备限制或由于固体桥接（也称为脱砂）遭遇注入能力灾难性损失的风险。

碳酸盐岩地层中干净的射孔坑道对酸化过程中单个深蚓孔的演化是有利的，而没有被充分清理的坑道往往形成较浅、分支的蚓孔，只有相对较低的增产效果。因此，高比例畅通的坑道对碳酸盐岩地层的酸性增产，或在有利于产生蚓孔的条件下把酸注入碳酸盐岩中用于近井增产是有利的。更多有利的注射在下文讨论。

为增强注射作业、增加油气产量而对油井进行射孔的改进方法见图5，包括以下步骤：在射孔弹载体内装入一个或多个活性聚能射孔弹；将射孔弹载体置于井内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形成一个或多个射孔坑道，其中所述一个或多个射孔坑道的每一个都被压实带包围并且其中第二爆炸事件导致在至少一个射孔坑道尖端形成至少一条裂缝。第二爆炸事件甚至还将碎片从坑道内驱除到井中。并且，由塑性变形引起的应力笼通过第二爆炸事件释放，改进了坑道的质量并提高随后的油或气的产量。

如本文所使用，爆炸事件是指包括引起的碰撞事件，例如由一种或多种用于爆破的粉末、任何化合物、混合物和/或其它起爆剂或包含任何氧化和可燃单元或其它组分的任何装置，以能被火、热、电火花、摩擦、打击、震动点燃的比例、量或装填引起的碰撞事件，或通过引爆所述化合物、混合物，或装置或其任何引起爆炸或释放能量的部分引起的碰撞事件。

优选地，至少一条裂缝在至少一个射孔坑道的末端产生。如本文中所使用，裂缝为从坑道延伸短距离的引起的含油气地层的分离，所述坑道由于岩石组构的位移或作为被岩屑撑开的结果保持完全或部分打开。

图6描绘了用本发明方法在油井套管内部引爆后的射孔装置。上面有关现有技术的讨论中，压实带36被消除，除去了来自坑道壁的渗透障碍并使射孔坑道的横截面直径围绕坑道变宽至少四分之一英寸。压实的碎片也由于第二爆炸事件被驱除出堵塞的坑道尖端，为注射作业创造出更有效率和高效的系统。第二爆炸事件本质上包含由第一爆炸事件产生的每个射孔坑道使得其位于每个产生的坑道内。将这种局部效应引入由射孔装置产生的每个射孔坑道导致从高比例产生的坑道中大幅消除压实带。如图7所示及如以下实施例显示，这使得随后注射的流体在井的所有坑道的均匀覆盖。

实施例1

表征近井区域以比较新的和常规的射孔系统效能的主要方法是阶梯测试（step rate test），所述阶梯测试在主要增产措施之前的小型压裂（也称为数据压裂（data frac））过程中进行。小型压裂用来获得地层性质（如破裂梯度或滤失系数）的直接测量数据，这样执行之前可微调措施设计。阶梯测试包括将恒定流体以几个不同的速率泵到井中同时测定泵压。将这个信息与作为小型压裂结果计算得到的其它参数相结合，可估计近井压力损失、射孔摩擦和打开的射孔数量。

使用以下的方程，射孔摩擦压力作为速率、带有流体的射孔数量、每个射孔的直径（从制造商的表面测试获得），和流量系数的函数加以预测。流量系数可假设一个圆形射孔，从射孔直径估计，或在表面的测试中经验性地测量。

其中P_pf=射孔摩擦压力（以psi表示）；q=总泵速；ρ_f=泥浆密度；C_D=射孔流量系数；N_p=打开的射孔数量；及d_p=射孔直径。在每个测试速率下，预测的泵压相对测量的泵压作图。因为其它变量基本不变，打开的射孔的数量和流量系数可反复调整，直至获得预测值和测量值之间良好的匹配。

在这个实施例中，分析了在West Pembina的Rock Creek砂岩地层中大约2500 m深处完井的两口井。在射孔和水力压裂过程中由于未完全清理的坑道在此地区的井中偶尔遇到破裂压力过大的问题，这将导致弯路，如参考图4的上文所描述。但是，由本实施例可见，采用本发明进行射孔的油井显示出较好的裂缝延伸梯度。井A用3 m长、3.3/8英寸（86 mm）直径、装有射孔弹的一次性中空钢载体进行射孔，所述射孔弹为常规或传统的23 g深层穿透射孔弹，以每米9发，和60度分段的密度装载。井B用直径3.3/8英寸（86 mm）的4.5 m的枪进行射孔，所述枪分布于35 m的毛区间，以每米6发和120度分段的密度装有活性聚能射孔弹。每种情况的总发数为27。表1显示了地层破裂压力、破裂压力梯度和裂缝延伸梯度。由表1可见，数据表明，尽管井B显示出高得多的裂缝延伸梯度（24.2 kPa/m对18.2 kPa/m），破裂梯度实际上小于井A中测得的破裂梯度（26.9 kPa/m对28.0 kPa/m）。

图8显示了由阶梯测试计算得到的总近井压力损失。在典型的处理速率2.5 m³/min处，与井A（常规射孔弹）的11,000 kPa相比，井B（活性射孔弹）仅经受2,800 kPa压力损失。图9和10分别显示了基于扭曲（近井压力损失）和射孔摩擦计算的压力损失。用活性聚能射孔弹进行射孔几乎消除了扭曲（在2.5 m³/min时<200 kPa，而常规射孔弹为4,300 kPa）并显著减少射孔摩擦（在2.5 m³/min时2,600 kPa，常规射孔弹为6,700 kPa）。计算的打开的射孔数中传统射孔弹（效率19.3%）为5.2，活性聚能射孔弹（效率27.4%）为7.4。

由于阶梯测试的解释包括将模型与现场数据反复进行匹配，结果依赖于收集的数据的质量并受到一定量的工程判断的影响。但是，相同方法的一致应用在该地区或其它地方多对井之间证实具有类似的结果。

为进一步研究用新的射孔弹射孔对水力压裂措施的影响，在Cadomin地层进行了处理功率要求对处理率的分析，在Cadomin地层对液压马力提升的要求历来增加了设备故障和不完全执行措施的风险。图11显示了研究的15口井的处理功率对速率的交会图。用新的射孔弹进行射孔的那些井明显地落在整体数据集的低端，证实了我们的假设，较干净的坑道可以在减少的压力损失下进行处理，并因此使用较少液压马力。另外，平均破裂压力梯度减少了41%（从用常规射孔弹射孔的井的14.3 kPa/m到用新的射孔弹射孔的井的8.4 kPa/m）并且平均处理梯度减少了19%（从用常规射孔弹的16.2 kPa/m到新的射孔弹的13.2 kPa/m）。

回到本发明方法和诱导第二爆炸事件或局部反应的讨论，在一个实施方案中，坑道大部分压实带的消除通过诱导一个或多个强放热反应作用实现，所述作用在引爆聚能射孔弹并产生一个或多个射孔坑道后在坑道内部和周围产生近瞬时超压。所述反应作用可由具有药型罩的聚能射孔弹产生，所述药型罩部分或全部由将在射孔坑道内部单独反应，或相互反应，或与地层组分反应的材料制造。在一个实施方案中，聚能射孔弹包括含有金属的药型罩，该药型罩被烈性炸药推进，以其熔融状态把金属投射到由聚能射孔弹射流产生的射孔中。熔融金属接着被迫与同样进入射孔中的水反应，在射孔内局部地方产生反应。例如，Liu的美国专利7,393,423公开了适用于本发明的活性聚能射孔弹，该专利的技术公开这里通过引用包含于本文中作为参考。Liu公开了具有含铝药型罩的聚能射孔弹，被烈性炸药如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如铝粉和金属氧化物的混合物的药型罩。因此，烈性炸药的引爆或燃料-氧化剂混合物的燃烧产生了第一爆炸，将铝以熔融状态推进到射孔中以在微秒内引发二次铝-水反应。

在第二个实施方案中，聚能射孔弹包括具有控制量的双金属组合物的药型罩，所述组合物发生放热的金属间反应。在另一个实施方案中，药型罩由引爆后产生放热反应的一种或多种金属构成。例如，Bates等人的美国专利申请公布2007/0056462，其技术公开通过引用结合到本文中作为参考，公开了一种活性聚能射孔弹，如图12A所示，包括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造的活性药型罩44。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，而所述金属选自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr。引爆后，金属药型罩的组分反应，通常以热的形式产生大量的能量。Bates的强放热反应据说产生的压力在50,000至80,000 psi范围内，但是，只要由第一爆炸事件触发或导致触发，任何从射孔坑道驱除碎片至井的反应都是足够的。优选地，第二、局部反应几乎立即在射孔枪引爆后发生，在二次能量释放或爆炸事件之前完全形成坑道。

在不受理论束缚情况下，图12B-12C描绘了包括铝药型罩的活性射孔弹被激发时发生在含油气地层12内的理论过程。如图12B所示，被激发的射孔弹载体14将活性射孔弹发射到地层12中并形成由上述压实带36包围的坑道。因为药型罩由铝组成，来自崩塌的药型罩的熔融铝也进入射孔坑道。引爆后，压力的增加引起水从油井流入坑道中，在铝和水之间产生局部、二次爆炸反应，消除了压实带36，同时更好地是在坑道末端形成裂缝40，如图12B所示。通过举例方式，图3B描绘了由现有技术方法产生的射孔坑道的对比特写图。坑道尖端30压实的填充形成了注射障碍，同时在42处的塑性变形形成残余应力笼，增加了裂缝阻力。压实带36减小坑道壁的渗透率并形成注射障碍。相反，如图12B所示，不存在压实带36并且没有由碎片38形成的压实填充30。

因为每个活性聚能射孔弹独立地将离散量（discrete quantity）的活性物质传送入坑道中，所以任意特定坑道的清理不受其它坑道的影响。清理的有效性因此不依赖于当时的岩石岩性或穿透点的渗透性。因此，达到了非常高的射孔效率，理论上接近射孔总孔数的100%，其中净坑道深度将等于总穿透深度（因为压实填充被从坑道中除去）。射孔的坑道对于为清理和增产目的在压裂条件下的注射是非常有利的，注射流体在射孔区间的分布一致。本发明已成功应用于<0.001 mD至>100 mD渗透率的井中。

通过大幅消除压实带，在实际围压下射入中等至坚硬的岩石的活性射孔弹提高了坑道的质量并为注射增产取得多种益处。压实带的除去形成非常高比例的畅通坑道，这反过来又导致：在既定注射压力下注射速率的增加；在既定注射速率下注射压力的减少；每个打开的射孔减少的注射速率（较少侵蚀）；注射流体在射孔区间上改善的分布；在长期泥浆处理中或在水力压裂增产的含支撑剂阶段中减少由于固体桥接（脱砂）造成的注射能力灾难性损失的倾向；近井压力损失最小化；及由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）产生的外流区域的改善的可预测性。已知裂缝增产中注射速率小至10%的增加为实现油井产量宝贵的增加创造了足够的裂缝几何形状的改善。由于除去了坑道周围的残余应力笼，裂缝起裂压力可显著降低。这种降低对油井作业者尤其有利和有价值，因为在增产措施中，增产服务供应商通常根据使用的液压马力和使用的峰值压力收费。另外，较低的压力导致较少的设备故障风险、较少磨损和较低的维护成本。在某些情况下，裂缝起裂压力可降低至用于增强的注射作业的点，在该点处以前使用常规井场设备不能产生裂缝的地层现在可满意地产生裂缝。

本发明及其提供的增强的注射作业的益处是巨大的。这些益处为：增强了在基质注射（matrix injection）条件下或在压裂条件下用于处理水基或油基钻井液和泥浆的注射作业；增强用于处理的注气（disposal）；增强在基质注射条件下或在压裂条件下用于替代孔隙率和/或维持储层压力的注水；增强用于替代孔隙率和/或维持储层压力的注气；增强用于增产的近井岩石基质的水基或油基钻井液的注射，例如盐水、酸、碱、凝胶、乳剂、酶、化学降解物和聚合物。这里使用的基质注射是指在低于地层破裂和裂缝产生的压力下的注射，由此导致流体流入孔隙间隙（岩石基质）。压裂条件是指在高于地层破裂及裂缝产生和延伸的压力下的注射，由此导致流体主要流入产生的裂缝中。

使用本发明的方法，水基或油基钻井液的注射液也可有利地用于增强碳氢化合物从储层中的扫除并提高采油率，例如经处理的水、蒸汽、凝胶、乳剂、酶、活性微生物培养物、表面活性剂和聚合物。此外，本方法提供了在足以使水力压裂延伸的速率和压力下水基或油基钻井液的进一步注射（例如，速率范围可从<1至200 bbl/min而压力范围可从<1000至30,000 psi），有时包括将被运输至产生的裂缝中以维持注射停止后裂缝传导性的固相。另外，本方法提供在足以引起裂缝产生的速率和压力下的注气，用于增加井的入流或外流流量，这些气体从表面注入或在射孔事件的同时，或一段时间后，通过推进剂或其它气体产生物质的燃烧在井中产生。最后，本发明增强了沿井注射点的分布，及在所述沿井注射点处提供特定流动区域的注射点，用于控制沿井注射流体的外流分布的目的。

实施例2

宾夕法尼亚的上泥盆纪序列构成阿巴拉契亚盆地最复杂的岩石序列之一。该区域包括互层砾岩、砂岩、粉砂岩和页岩。在常见的目标区间中，在某些区域Bayard和Fifth砂的油井众所周知地难以完井。高初始断裂和施工压力常常出现，导致可忽略不计的支撑裂缝的产生，并造成生产力的相应低下。Bayard由被薄页岩破裂分开的多至三块的细粒砂岩组成。砂的厚度范围为从3至35英尺并被当做重要的气藏。在运行良好的Bayard的井中从这个地带测试已达到3 mln mcf/d。Fifth砂岩是持久和重要的岩石序列，负责该区域石油和天然气两者的生产。在倾气性区域，Fifth往往是含砾岩条纹和透镜体（streaks and lenses）的多层次、从细到粗的粒砂岩。整个地带为一体，厚度从10英尺以下至40英尺以上。

许多完井技术都尝试在这两个地带进行，从钻井液和水泥设计开始，最小化滤液损失——因为流体损失似乎与破裂地层的困难有关。一个更常用的技术是在施加套管对更深区间进行完井之前打开Bayard和Fifth的孔裂缝。虽然偶尔会成功，但是单独的压裂操作增加的成本损害了良好的经济性。研究显示几种不同的酸配方也有助于克服破裂困难。在用压裂流体处理前，该区域其它区间通常用12-3 HCl/HF处理，但实验室研究显示，当施加到来自Bayard和Fifth的样品时，这种组合会产生不溶性沉淀物。后来这些地带默认采用25%的HCl。

通过为干净、打开的坑道提供有裂缝的坑道尖端，本发明的方法有助于减少破裂和施工压力——通常使被认为不可施工的区域的裂缝增产成为可能。在四口井中应用本发明的方法，随后将其压裂性能与用常规射孔弹射孔的地理上很接近的七口邻井进行比较。所有四口井均针对Bayard储层，尽管在第三口井中其仅为4英尺厚。四口井中的三口面临足以完井的Fifth砂。两个地区均观察到破裂和施工压力的显著减少。处理速率大大改善，使得该位置上尽可能多的支撑剂被泵离。基于随后得到的结果，这些区域的作业者可在这些地带未来的井中计划更大的压裂措施。

如图13所示，经处理的所有Bayard区间明显优于邻井。平均破裂压力减少了675 psi（17%），而平均处理压力减少了505 psi（13%）。如果排除第三口井的数据（因为遇到的Bayard部分极薄），减少的量分别变为850 psi（22%）和650 psi（16%）。在图14中，平均处理速率增加了2.5倍。放置的平均支撑剂体积增加了差不多5倍。事实上，在邻近几口井中，永远达不到足够的速率来获得有意义的待引入支撑剂的量。图15和图16描述了同样经处理的三个Fifth区域如何显著地优于邻井。如图15所示，平均破裂压力减少了600 psi（16%）而平均处理压力减少了275 psi（8%）。这些平均值包括两口常规射孔的井反映的异常低的破裂压力。如图16所示，平均处理速率增加了1.7倍。通过该位置可得的材料，放置的平均支撑剂体积增加了1.4倍并限于两口井。在第二口井中，该位置采用两倍正常用量的支撑剂并成功泵出。像Bayard一样，与用本发明射孔的井相比较，许多邻井永远达不到足够的速率获得有意义的待引入支撑剂的量。

虽然上述的图将所有炸药接受区域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，在射孔枪中最好可具有不同尺寸的炸药。在不违背本发明范围的情况下，本领域技术人员也可理解上述情况中可作出的几种变化。例如，炸药的特定位置可在本发明范围内变化。同样，本发明范围内可用于发射炸药的特定技术在行业内是常规的并为本领域技术人员所理解。

现在对本领域技术人员来说，本文描述的一种改进的射孔方法是显而易见的，所述方法减少了射孔枪发射后含油气地层的射孔中残留碎片的量，并增强了油气生产中的注射作业。尽管本发明以优选实施方案的方式描述，显然，在不违反本发明精神和范围下，可采用其它的调整和修改。本文采用的词语和语句作描述之用而并非限制；因此，在不违反本发明精神和范围的情况下，没有排除等同意思的意图，相反，其涵盖任何和所有可采用的等同用语。

Claims (12)

1.一种对油井进行射孔以增强注射作业并促进地下地层中石油或天然气生产的方法，所述方法包括步骤：

a）在射孔弹载体内装入一个或多个活性聚能射孔弹；

b）将所述射孔弹载体置于井下邻近所述地下地层处；

c）引爆所述聚能射孔弹以产生第一和第二爆炸事件，其中所述第一爆炸事件在所述邻近地层中产生一个或多个射孔坑道，所述一个或多个射孔坑道的每个坑道由压实带包围，并且其中所述第二爆炸事件导致在至少一个射孔坑道尖端形成至少一条裂缝，并且进一步，其中所述第二爆炸事件将碎片从坑道内驱逐到井中。

2.权利要求1所述的方法，还包括通过在所述地层内迫使流体由所述裂缝流出所述射孔坑道使地层增产。

3.权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件还释放了一个或多个射孔坑道周围由塑性变形引起的应力笼。

4.权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件还导致影响裂缝增产所需的液压马力量的减少。

5.权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件后得到的坑道深度实质上等于总穿透深度。

6.权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件由所述第一爆炸事件触发。

7.权利要求1所述的方法，其中所述净坑道深度的产生不依赖于所述地层当时的岩石岩性。

8.权利要求1所述的方法，其中所述净坑道深度的产生不依赖于穿透点处的渗透率。

9.权利要求1所述的方法，还包括用于增加所述地层的天然气产量的注射。

10.权利要求8所述的方法，其中所述注射由气体组成。

11.权利要求8所述的方法，其中所述注射由流体组成。

12.权利要求10所述的方法，其中所述流体包括一种或多种由盐水、酸、碱、凝胶、乳剂、酶、化学降解物和聚合物组成的组。

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