CN102459808A - 用伸缩元件压裂和密封环形空间 - Google Patents

Abstract

一种在裸眼井段中进行的压裂操作。环形空间由位于隔离阀之后的伸缩元件跨越。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跨越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被压裂地层部分。在适当的地层中，不需要水泥浇注来保持井眼完整性。在那些需要环形空间隔离的地层中，在一优选实施例中，管柱可以具有外部材料，所述外部材料成长而密封环形空间，从而取代传统的水泥浇注作业。

Description

用伸缩元件压裂和密封环形空间

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眼井段中进行压裂的方法，更尤其涉及一种不使用传统水泥浇注作业而密封环形空间的能力。

背景技术

在完井方法中有两种通常使用的压裂技术。图1显示了一井孔10，其具有套管柱12，所述套管柱12在周围的环形空间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)实现的。在多数情况下，如果打算进一步钻孔，则磨铣开该注水泥用套管鞋，并进一步进行钻孔。在管柱12被浇注水泥且水泥14凝固之后，将一射孔枪(未显示)下入并进行射击而形成穿孔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，该利用射孔枪进行穿孔，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朝着井地表38而在井孔10中设置就位。

该方案的一个变形是：通过将伸缩元件放进套管壁中来消除穿孔，所述伸缩元件在水泥凝固之前有选择地延伸穿过水泥，以形成至地层中的通道并跨过被浇注水泥的环形空间。USP4475729中示出了利用可展开的元件来替代穿孔工艺。一旦这些元件被展开，环形空间就被浇注水泥，并且过滤通道通过这些展开的元件打开，这样，在该具体例子中，该井可用于喷射工作。虽然利用可展开的元件取消了穿孔，但是，浇注水泥工作加上钻井时间的成本可能会很高，并且在某些场 所，井场的后勤复杂化可能增加成本。

近年来，在井产流体中膨胀或者可以变硬的管外封隔器(例如图2中的附图标记40、42、44、46和48所指示)可以设置在管柱49的外部，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，并且其下端67被封盖。利用各种已知的用于移动所述滑动套筒的装置，可以以任何希望的次序打开它们，以便可在两个封隔器之间隔离环形空间68、70、72、74，这样，可以将加压的用于压裂的流体传送至该环形空间中，并且还要将压力引入周围地层。这种压裂方法涉及在装配管柱时需要适当放置封隔器，并且推迟了允许封隔器膨胀以隔离这些区域的时间。至于是否全部的封隔器都能够实现密封以使得由在地表传送至管柱49中的压力而于管柱中所形成的压力能够可靠地去到目的区域中，这也存在潜在的不确定性。膨胀封隔器的一些例子参见USP7441596；7392841和7387158。

在有些情况下，伸缩元件已经与膨胀性材料制作的周围套筒组合，以更好地对伸展至地层的所述伸缩元件的伸展端进行密封，同时仍能使环形空间的其余部分对给定区域的地层来说是敞开的。该结构的一些例子参见USP7387165和USP7422058。美国公开文献US2008/0121390显示了一种螺旋突伸件，所述螺旋突伸件能够膨胀和/或展开至与井眼接触，并在突伸件之间留下用于输送水泥的通路。

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形空间封隔器的技术，其中地层的特征是例如井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，使得在任何给定时间只有所需要的、将进行压裂的管道组或多个管道组能够被选择地打开。通过伸展的管道所传送的压力正好去到地层，并越过其间的环形空间。管柱外表面之外可以覆盖有膨胀性材料例如橡胶或形状记忆聚合物，橡胶或形状记忆聚合物可以充填所述环形空间，取代传统的、昂贵的水泥浇注作业。通过 阅读优选实施例和相关图3-10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，其在裸眼井段中进行。环形空间由位于隔离阀之后的伸缩元件跨越。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跨越环形空间并以密封的方式接合地层。加压的压裂流体被泵送通过伸缩通道和所希望的被压裂地层部分。在适当的地层中，不需要水泥浇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。可以将生产管柱插入到具有伸缩装置的管柱中，通过有选择地暴露的伸缩元件，就可以对所关心的地层部分进行开采。在那些需要对环形空间进行隔离的地层中，在一优选实施例中，管柱可以具有外部材料，所述外部材料变大而密封所述环形空间，从而取代传统的水泥浇注作业。

附图说明

图1是对套管浇注水泥并顺序进行穿孔和设置管内封隔器或桥塞以在对一些区域进行穿孔和压裂时隔离所述区域的现有系统；

图2是利用环形空间中的管外膨胀封隔器来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展开的通道的方法，利用阀门有选择地进入所述通道，使得直接从管柱就可以压裂地层，同时越过裸眼井段的环形空间；和

图4是伸缩通道在展开位置的详图；

图5a和5b显示了利用滑动套筒展开的伸缩元件，所述伸缩元件同时被打开而进入地层；

图6a和6b显示了带有可展开装置的下井管柱，所述可展开装置用于展开伸缩通道至地层；

图7显示了带有在伸缩元件之间的密封的组件的下井位置的实施例，所述密封可以取代水泥浇注而密封环形空间；

图8是图7中环形空间被密封的视图；

图9是图8中伸缩通道展开的视图；和

图10是图9中所有伸缩通道都展开的视图。

具体实施方式

图3显示了本发明的一个实施例，其中地层具有使环形空间在组件108之间选择性隔离的特征。图7-10显示了带有环形空间隔离件的优选实施例。

图3示出了位于套管102下方的裸眼井段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，正如下文所解释的那样。如图4所示，各组件108具有一封闭装置，所述封闭装置优选为滑动套筒110，所述滑动套筒可选择性地利用落在支座112上的球114操作。在一个实施例中，所述支座和落在支座上的球全部具有不同的尺寸，通过首先使较小球落在处于下面的组件108上的较小支座上，并逐次使较大球落在不同的支座上以关闭阀门110，这样可以以自底向上的顺序关闭套筒。

由阀门110有选择地覆盖的那组伸缩元件116可以具有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′处于展开位置，并抵靠井段100壁。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组件中元件(例如附图标记120和122所指示)之间的伸缩延长，或者，依据环形间隙的宽度而需要多个相对移动的片段，必须越过所述环形间隙才能使引导端124进入地层，这样，被引导的压力将穿透地层，而非进入敞开的环形空间126。插塞118在这里允许 全部伸缩组件116响应于各个伸缩组件116处的阀门110的打开以及施加于衬管104内部的压力而展开。一旦全部的伸缩组件都已展开，就可以移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。每个组件或者有些组件可具有位于通流通道中的筛材料128，所述通流通道在展开之后且在移除插塞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固定器(trip)或分开的固定器上的移动工具接合，以利用单个阀门110及其相关的准备用于压裂的成组的伸缩组件116或者利用多于一个的阀门110和成组的伸缩组件116来加快压裂。

作为另一个选择，为了关闭阀门110，可以使用铰接球支座，该铰接球支座接收给定直径的球，其允许操作阀门110并允许球在移动支座之后通过，其中，这种支座运动在另一个阀门110中配置形成另一个支座，以接收具有与第一个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的单个固定器中操作一个以上的阀门的其他技术。例如，可以放入铰接的移动工具并致动，使得在出井或进井的路径上，能够以下述方式打开或关闭一个或多于一个的阀门，即：或者基于各个阀门(优选为滑动套筒)的独特接合轮廓，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。

可选择地，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而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，使得待压裂的特定区域在隔离时的通用性较低。

本发明的上述方法利用将压裂流体引入地层而允许进行裸眼井段压裂，不需要环形隔离物，以及在适当的地层中，可以在裸眼井段中 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，可以关闭一些阀门或关闭所有阀门，以在进行压裂的整个井中进行关闭，或者有选择地打开一个或更多个部位，以便通过衬管并进入生产管柱(未显示)而进行开采。结果，上述方法节省了浇注水泥的成本以及环形空间隔离物的成本，并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。

虽然上文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跨越周围环形空间的间隙，以便于进行压力传递和以降低进入周围环形空间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，上述方法焦点在于良好地巩固地层，在巩固底地层处井壁坍塌不是重要的问题。在其它应用中，如下所述，井底钻具组合特征还在于膨胀性材料或形状记忆聚合物，在上述实施例中，所述膨胀性材料或形状记忆聚合物填充到在上述实施例中保持敞开的所述周围环形空间126中。

液压地展开组件116的一个可替代方案是机械展开。如图5中的附图标记130所示，伸缩单元回缩在套管中，以免安装时展开超过其外径132。如图5b所示，当滑动套筒134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上施加机械作用力使之延展，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展开伸缩单元。如图6a和6b所示，一个例子是利用下井管柱142，其带有活动的推进器144以推出伸缩单元。推进器可以利用内部压力展开或者由另一装置展开。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的膨胀使所述组件到达周围地层。这也可以通过伸缩组件结合管件膨胀的组合来实现。衬管的膨胀可以利用管件整形器来实现，所述管件整形器在下入过程中的前进能够逐出放置在衬管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膨胀。

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，例如带有碳化物插入件或菱形插入件，以协助穿入地层以及密封抵接地层。所述前端可以构造成齿状，或者包含其他尖端轮廓，以帮助穿入地层。

除了一个较大的区别外，图7与图3相同。仍具有多个间隔开的压裂组件108，该压裂组件具有阀门110和伸缩组件116。在图7-10中存在密封件200，所述密封件尺寸较小以便下入井中，如图7所示，所述密封件在钻孔202中增大，直至将钻孔密封。随着密封件变大(优选通过膨胀)，图7所示的环形空间126被封闭，如图8所示。当密封件200由例如橡胶制成时，该密封件能够在存在井流体、例如烃的情况下膨胀。所述密封件还可以结合一盖子，所述盖子使膨胀延迟，以允许有足够时间使所述组件在井眼中就位。这些盖子可以由例如井流体溶解。密封件200还可以由形状记忆聚合物形成，例如，在存在井流体或者存在用加热器或通过放热的化学反应引起的人工增加的热量的情况下(所有这些都用箭头204示意性表示)，所述形状记忆聚合物将膨胀而密封环形空间126。用这样的方式可以免除非常昂贵的水泥浇注作业。除了从组件108进入地层的部位之外，在对所述环形空间进行密封存在益处的那些地层中，使用密封件200是进行密封的一种经济的方式，不存在有关水泥浇注作业的成本和后勤问题。这对海上油井来说是更加重要的因素，在那里，进行水泥浇注作业的后勤工作变得更加复杂而且昂贵。

图9显示了以上述方式开始压裂时展开的一组伸缩元件116，而图10显示了所有展开的伸缩组件116和通过密封件200密封的环形空间126，展开的伸缩组件116周围带有破裂处。

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 (31)

1.一种地层压裂方法，其包括：

将包括多个壁通道的完井管柱下入裸眼井段中；

利用至少一些接合地层的所述壁通道跨越所述管柱周围的环形空间，同时使所述环形空间基本上向地层敞开；

通过所述壁通道中的至少一个传送加压流体以压裂地层，利用将所述完井管柱下入裸眼井段时由所述完井管柱支撑的至少一个密封件在所述传送之前或之后密封所述环形空间。

2.如权利要求1所述的方法，其包括：

将所述密封件从传送到所述裸眼井段中扩大至密封位置。

3.如权利要求2所述的方法，其包括：

通过使所述密封件暴露于所述裸眼井段中的井产流体，而使所述密封件扩大。

4.如权利要求3所述的方法，其包括：

利用井产流体的温度或所述裸眼井段中人工增加的热量来扩大所述密封件。

5.如权利要求2所述的方法，其包括：

使用橡胶或形状记忆聚合物来用于所述密封件。

6.如权利要求2所述的方法，其包括：

使用多个间隔开的密封件作为所述至少一个密封件，其中的间隔表示接合地层的所述壁通道的部位；

通过使所述密封件膨胀，大体上密封所述壁通道周围的所述环形空间。

7.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壁通道的入口。

8.如权利要求7所述的方法，其包括：

利用阀门元件有选择地关闭入口。

9.如权利要求1所述的方法，其包括：

延长或移动所述壁通道至与地层接触。

10.如权利要求9所述的方法，其包括：

由能够相对移动的伸缩元件形成所述壁通道。

11.如权利要求10所述的方法，其包括：

最初在内部阻塞所述壁通道；

在所述阻塞的壁通道中建立压力，以相对移动所述伸缩元件。

12.如权利要求1所述的方法，其包括：

机械地或液压地展开或移动所述壁通道至与地层密封接触。

13.如权利要求1所述的方法，其包括：

使所述管柱膨胀，以缩短所述壁通道必须跨越以接触地层的距离。

14.如权利要求13所述的方法，其包括：使用一管件整形器使所述管柱膨胀。

15.如权利要求13所述的方法，其包括：

通过使所述管柱膨胀，来展开或移动所述壁通道。

16.如权利要求11所述的方法，其包括：

在使所述壁通道展开而与地层接触之后，去除对所述壁通道的阻塞。

17.如权利要求16所述的方法，包括：

使用井中的流体溶解或去除所述阻塞。

18.如权利要求8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壁通道。

19.如权利要求18所述的方法，其包括：

通过多个与至少两个滑动套筒关联的壁通道顺序地进行压裂，选择所述滑动套筒以顺序打开，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的壁通道进行压裂。

20.如权利要求13所述的方法，其包括：

与所述管柱膨胀不相关地展开或移动所述壁通道。

21.如权利要求20所述的方法，其包括：

在完全展开或移动所述壁通道之后，使所述管柱膨胀。

22.如权利要求1所述的方法，其包括：

通过大约同时展开或移动全部所述壁通道，而利用全部所述壁通道跨越所述环形空间。

23.如权利要求18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壁通道。

24.如权利要求23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相对于所关闭的滑动套筒处于沿井身上行的位置；

在沿井身上行的方向上，顺序地关闭滑动套筒、然后打开滑动套筒，直到加压流体通过全部所述壁通道传送。

25.如权利要求23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相对于所关闭的滑动套筒处于沿井身下行的位置；

在沿井身下行的方向上，顺序地关闭滑动套筒、然后打开滑动套筒，直到加压流体通过全部所述壁通道传送。

26.如权利要求23所述的方法，其包括：

打开全部所述滑动套筒，并通过所述壁通道进行生产。

27.如权利要求1所述的方法，其包括：

将所述壁通道的前端放置成与地层密封接触。

28.如权利要求27所述的方法，其包括：利用所述前端穿透地层。

29.如权利要求18所述的方法，其包括：

对所述前端进行尖锐化或变硬处理，以便于进行所述穿透。

30.如权利要求8所述的方法，其包括：

利用所述阀门元件，延长或移动所述壁通道至与地层接触。

31.如权利要求9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展开元件来接合所述壁通道，以展开或移动所述壁通道至地层。

Images