CN102395753A - 裸井压裂系统 - Google Patents

Abstract

一种压裂操作，其不使用环形空间隔离而在裸井中进行。环形空间由位于隔离阀之后的伸缩元件横跨。给定的一组伸缩元件可以是无覆盖的，伸缩元件可以延伸以横跨环形空间并以密封的方式接合地层。加压的压裂流体通过伸缩通道和所希望的地层压裂部分泵出。在适当的地层中，不需要水泥灌浆保持井眼完整性。伸缩元件可以任选地具有筛。通常，地层的性质使得也不需要砾石回填。利用伸缩装置可以将生产套管插入到管柱中，通过有选择地暴露伸缩元件，就可以生成感兴趣的地层部分。

Description

裸井压裂系统

技术领域

本发明的技术领域涉及压裂，尤其涉及一种不使用外区隔离器而在裸井中进行压裂的方法。

背景技术

在完井方法中有两种通常使用的压裂技术。图1显示了一钻孔10，其具有套管柱12，所述套管柱12在周围的环空16中浇注有水泥14。这通常是通过套管柱12下端的注水泥用套管鞋(未显示)进行的。在多数情况下，如果希望进一步钻孔，该套管鞋被研磨，并进一步进行钻孔。在管柱12被浇注水泥以及水泥14凝固之后，将一射孔枪(未显示)下入并进行击射而形成穿孔18，然后利用从地表传送的流体对穿孔18进行压裂，之后，安装和设置封隔器或桥塞20以隔离穿孔18。然后重复该流程，即，该射孔枪进行穿孔，之后进行压裂，然后又在刚刚形成并压裂的穿孔上方设置另一个封隔器或桥塞。这样依次将穿孔和封隔器/桥塞对22、24；26、28；30、32；和34从底部36朝井地表38置于井10中的任意位置上。

该方案的一个变形是，通过将伸缩元件放进套管壁中，消除穿孔，所述套管壁在水泥凝固之前有选择地伸展进入水泥中，以形成至地层中的通道并跨接被浇注水泥的环空。USP4475729中示出了利用可伸展的元件替代穿孔的流程。一旦这些元件伸展，环空就被浇注水泥，并且过滤通道通过这些伸展的元件打开，这样，在该具体例子中，该井可用于喷射工作。虽然利用可伸展的元件取消了穿孔，但是，浇注水泥工作的成本加上钻井时间可能会很高，并且在某些场所，井场的后勤复杂可能增加成本。

近年来，在管柱49的外部可以设置在井流体中膨胀或者可以变硬的管外封隔器(例如图2中的40、42、44、46和48)，以隔离区域50、52、54和56，在相应的区域中设有阀门，通常是滑动套筒58、60、62和64。管柱49悬挂于套管66，并在其下端67被封盖(capped)。利用各种已知的用于移动所述套筒的装置，可以以任何希望的次序打开它们，以便在两个封隔器之间隔离环形空间68、70、72、74，这样，可以将加压的压裂流体传送至该环形空间中，并仍将压力引入周围地层。这种压裂方法在装配管柱时需要适当放置封隔器，并且由于需要使封隔器膨胀以隔离这些区域而延长了时间。至于是否全部的封隔器都能够实现密封以致由在地表输送至管柱49的压力而在管柱中所产生的压力可靠地去到目的区域中，也有潜在的不确定性。膨胀封隔器的一些例子参见USP 7441596；7392841和7387158。

因此，所需的、并且本发明的方法能够提供的是一种将所施加的压裂压力准确定位至所希望的地层、同时无需昂贵的工序例如水泥浇注和环空封隔器的技术，其中地层处的特征是，例如孔能够保持其完整性。管柱中的压力通过进入地层中的可伸展的管道传送。给定组的管道与一隔离装置耦合，使得在给定时间只有所需的用于压裂的这组或这些组管道可选择地打开。通过伸展的管道传送的压力正好去到地层，并旁通其间的环形空间。通过阅读优选实施例和相关图3的描述，本发明的这些及其它特征对本领域技术人员来说会更容易明白，同时应该理解的是，本发明的整个范围由附带的权利要求书的文字和等效范围确定。

发明内容

一种压裂操作，其不使用环形空间隔离而在裸井中进行。环形空间由位于隔离阀之后的伸缩元件横跨。给定的一组伸缩元件可以是无覆盖的，伸缩元件可以延伸以横跨环形空间并以密封的方式接合地层。加压的压裂流体可被泵送通过伸缩通道和所希望的地层压裂部分。在适当的地层中，不需要水泥灌注来保持井眼完整性。伸缩元件可以任选地具有筛。通常，地层的性质使得也不需要砾石回填。利用伸缩装置可以将生产套管插入到管柱中，通过有选择地暴露伸缩元件，就可以生成感兴趣的地层部分。

附图说明

图1是对套管浇注水泥并顺序穿孔和设置管内封隔器或桥塞以在穿孔和压裂时隔离区域的现有系统；

图2是利用环形空间中的管外膨胀封隔器隔离滑动套筒阀可进入的那些区域的另一种现有系统；

图3显示了本发明的利用进入地层中的可伸展的通道的方法，利用阀门有选择地进入地层，使得直接从管柱就可以压裂地层，同时旁通过裸井环形空间；和

图4是伸缩通道在伸展位置的详图；

图5a和5b显示了利用滑动套筒伸展同时打开而进入地层的伸缩元件；和

图6a和6b显示了带有用于伸展伸缩通道至地层的可伸展装置的下井管柱。

具体实施方式

图3示出了位于套管102下方的裸井100。一衬管104利用衬管悬挂器106悬挂在套管102内。压裂组件108是图3所示其他压裂组件的代表，本领域技术人员应当明白，可以使用任何数量的压裂组件108，它们大部分类似，但是也可以改变以适应所希望顺序的致动，正如下文所解释的。如图4所示，各压裂组件108具有一封闭装置。所述封闭装置优选为滑动套筒110，所述滑动套筒110可任选地利用落在支座112上的球114操作。在一个实施例中，支座和处于支座上的球全部具有不同的尺寸，可以以倒置的顺序关闭套筒，即：首先使较小球落在位于下面的组件108上的较小支座上，并逐渐落下较大球以关闭阀门110，这些较大球将落在不同的支座上。

由阀门110有选择地遮盖的成组伸缩元件116可以是应用中用于压裂或随后生产的期望流速所需的任意数量或排列或尺寸。在图3中显示了伸缩组件116处于缩回位置。同时在该图3中还显示了伸缩元件116′处于伸展位置，并抵靠钻孔壁100。在优选实施例中，所有伸缩组件116最初都用插塞118阻挡，这样，衬管104中的内部压力将导致各个伸缩组件中元件(例如120和122)之间的伸缩延伸，或者，然而取决于环形间隙的宽度而需要多个相对移动的区段段，而环形间隙必须被跨越才能使引导端124进入地层，这样，引入的压力将穿透地层，而非进入开放的环空126。插塞118在这里允许全部伸缩组件116响应于各个组件116处的阀门110的打开以及施加于衬套104内部的压力而伸展。一旦全部的伸缩组件都已伸展，就去除各个组件中的插塞118。这可以通过许多方式进行，一种方式是利用可以消失的插塞，例如可以溶于导入流体的铝合金插塞。每个伸缩组件或者有些伸缩组件可以具有位于通流通道中的筛材料128，通流通道在延伸之后以及在去除插塞118之后形成。

与各个伸缩组件116相关的阀门110也可以利用套筒移动工具以任何希望的次序进行操作。每个阀门可具有独特的轮廓，所述轮廓能够由同一个行程(trip)或分开的行程上的移动工具接合，以利用单个阀门110及其相关的准备好用于压裂的伸缩组116或者利用多于一个的阀门110和伸缩组116来加快压裂。

作为另一个可选方案，为了关闭阀门110，可以使用铰接球支座，其接收给定直径的球，并允许操作阀门110和允许球在移动支座之后通过，其中，这样的支座运动在另一个阀门110中配置形成另一个支座，以接收具有与第一落下的物体相同直径的另一物体，所述另一物体操作不同的阀门110。也可以使用允许在井中以单个行程(trip)操作多于一个的阀门。例如，可以下入铰接的移动工具并致动，使得在出井或进井的路线上，能够打开或关闭一个或多于一个的阀门，这种操作或者基于各个阀门的独特接合轮廓，优选为滑动套筒，或者甚至利用共同的移动轮廓使用各个阀门的已知部位以及利用在到达必须移动的特定阀门之前的移动工具致动。

作为选择，也可以使用设定成在不同压力等级下破裂的破裂片，顺序是伸缩通道在给定压力下以特定顺序打开的顺序。然而，一旦破裂片破裂而打开通过一组伸缩通道的流动，那些通道将在另一组片破裂进入另一个区域时不能再次关闭。虽然利用滑动套筒能够将有效容积和压力全部引入预定组的通道，但是利用破裂片，使得特定区域在隔离时压裂的情况较少。

本发明的方法利用将压裂流体引入地层而允许裸井压裂，不需要环形隔离物(barriers)，以及在适当的地层中，可以在裸井中进行压裂，不需要对衬管浇注水泥。这种技术结合大多数伸缩组件或所有伸缩组件上的阀门一起允许在所需的部位以所希望的次序准确进行压裂。压裂后，可以关闭一些或所有阀门，以或者关闭进行压裂的整个井中的阀门，或者有选择地打开一个或更多个部位，以便通过衬管开采而进入生产管柱(未显示)。这样的方法省去了浇注水泥的成本以及环空隔离物的成本，使得整个流程达到以比诸如图1和2中所述的那些现有方法更少的时间进行压裂作业的程度。

虽然作为优选实施例论述了伸缩组件，但是也可以想象其他设计，这些设计能够有效地横跨周围环空的间隙，以便于以进行压力传递和降低进入周围环空的压力或流体损失的方式接合地层。本领域技术人员应当明白，该方法焦点在于良好的加固地层，其中井壁坍塌不是重要的问题。

液压地伸展所述组件116的一个可选方案是机械地伸展。如图5中的附图标记130所示，伸缩单元缩回到套管中，以免安装时伸展超过其外径132。当滑动套筒134在图5b中移动时，例如当球138落在支座140上时，滑动套筒134具有一逐渐缩减部分136，其在伸缩单元130上施加机械力使之伸展，以触碰地层，如附图标记131所示。虽然优选的是滑动套筒，但是可以使用任何机械工具来机械地伸展伸缩单元。如图6a和6b所示的一个例子是利用下井管柱142，其带有可伸缩的推进器144以推出所述伸缩单元。推进器可以利用内部压力伸展或者由另一装置伸展。在这种情况下，关闭装置是可任选的。

利用伸缩部件通过压力推出所述组件116的另一个可选方案是结合衬管104的膨胀而使组件到达周围地层。这也可以结合伴有管状膨胀的伸缩组件来实现。衬管的膨胀可以与井下套管整形器(swage)一起，所述井下套管整形器的前进能够逐出下井期间位于衬管104内部的组件。作为选择，膨胀也可以利用压力进行，所述压力不但使衬管膨胀，也使组件116伸展。

任选地，最外面的伸缩片段122的前端可以制作得较硬并且尖锐，例如带有碳化物或菱形插入件，以协助透入地层以及对地层进行密封。前端可以构造成堞状，或者包含其他尖端模式，以帮助穿入地层。

上文的说明书示出了优选实施例，在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以进行许多修改，本发明的范围由下文权利要求书的文字和等效范围确定。

Claims (26)

1.一种地层压裂方法，包括：

将包括多个壁通道的完井管柱下入裸井中；

利用至少一些接合地层的所述通道跨越所述管柱周围的环空，同时使所述环空大体上开放至地层；

通过所述通道中的至少一个传送加压流体，以在所述环空大体上开放至地层的情况下压裂地层。

2.如权利要求1所述的方法，其包括：从所述管柱内部有选择地关闭至少一个所述通道的入口。

3.如权利要求2所述的方法，其包括：利用阀门元件有选择地关闭入口。

4.如权利要求1所述的方法，其包括：延长或移动所述通道至与地层接触。

5.如权利要求4所述的方法，其包括：由能够相对移动的伸缩元件形成所述通道。

6.如权利要求5所述的方法，其包括：最初在内部阻塞所述通道；在所阻塞的通道中建立压力，以相对移动所述伸缩元件。

7.如权利要求1所述的方法，其包括：机械地或液压地伸展或移动所述通道至与地层密封接触。

8.如权利要求1所述的方法，其包括：膨胀所述管柱，以缩短所述通道必须跨越以接触地层的距离。

9.如权利要求8所述的方法，其包括：使用一井下套管整形器使所述管柱膨胀。

10.如权利要求8所述的方法，其包括：通过使所述管柱膨胀，来伸展或移动所述通道。

11.如权利要求6所述的方法，其包括：在使所述通道伸展而与接触地层之后，去除对所述通道的阻塞。

12.如权利要求11所述的方法，其包括：使用井中的流体来溶化或去除阻塞。

13.如权利要求3所述的方法，其包括：提供多个间隔开的滑动套筒作为所述阀门元件，用于有选择地打开或隔离多个与各滑动套筒关联的通道。

14.如权利要求13所述的方法，其包括：通过多个与至少两个滑动套筒关联的通道顺序地进行压裂，所述套筒选择顺序打开，使得能够以任何所需的次序使用与不同滑动套筒关联的不同组通道进行压裂。

15.如权利要求8所述的方法，其包括：伸展或移动所述通道与所述管柱膨胀无关。

16.如权利要求15所述的方法，其包括：在完全伸展或移动所述通道之后，使所述管柱膨胀。

17.如权利要求1所述的方法，其包括：通过大体上同时伸展或移动全部所述通道，而利用全部所述通道跨越所述环空。

18.如权利要求13所述的方法，其包括：仅保持一个滑动套筒打开，同时将加压流体传送至与所打开的滑动套筒关联的通道。

19.如权利要求18所述的方法，其包括：关闭所打开的滑动套筒，并打开另一个滑动套筒，所述另一个滑动套筒位于相对于所关闭的滑动套筒朝向井口的位置；

沿朝向井口方向，顺序地关闭然后再打开套筒，直到加压流体传送通过全部所述通道。

20.如权利要求18所述的方法，其包括：关闭所述打开的滑动套筒，并打开另一个滑动套筒，所述另一个滑动套筒位于相对于关闭的滑动套筒朝向井下的位置；

沿朝向井下方向，顺序地关闭然后再打开滑动套筒，直到加压流体传送通过全部所述通道。

21.如权利要求18所述的方法，其包括：打开全部所述滑动套筒，并通过所述通道进行生产。

22.如权利要求1所述的方法，其包括：将所述通道的前端放置成与地层密封接触。

23.如权利要求22所述的方法，其包括：利用所述前端穿入地层。

24.如权利要求13所述的方法，其包括：对所述前端进行尖锐或变硬处理，以便于进行所述穿入。

25.如权利要求3所述的方法，其包括：利用所述阀门元件，延长或移动所述通道至与地层接触。

26.如权利要求4所述的方法，其包括：利用下入所述完井管柱中的第二管柱上的可伸展元件，接合所述通道，以伸展或移动所述通道至地层。

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