CN103987917A - 使用穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂 - Google Patents

Abstract

公开了将使用喷砂射孔技术产生的射孔簇的产生与包括穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂技术相组合的完井技术。喷砂射孔和使用支撑剂脉冲供送的水力压裂两者都可以通过连续管实施。

Description

使用穿过聚集的喷砂射孔的支撑剂脉冲供送的水力压裂

背景技术

通过钻出穿过含油气地层的井从地下地质地层中获得油气(油、天然气等等)。这为油气提供了到达地面的部分流动路径。为了使油气能被“生产”，即，从地层行进至井眼并最终到达地面，必须有足够畅通的流动路径。

水力压裂是用于通过放置或延伸从井眼到储层的高导流性裂缝提高井产量的主要措施。在第一阶段期间，水力压裂流体以高速率和压力通过井眼注入到地下地层中。压裂流体注入速率超过渗入地层的速率，从而，在砂面产生增加的水力压力。当压力超过临界值时，地层或岩石开裂并且断裂。地层裂缝比地层孔隙度更具可渗透性。

在下一阶段期间，支撑剂被放置在裂缝中，以防止裂缝在注入停止后闭合。所产生的张开的裂缝能使可开采流体(即，油、气或水)的流量增加。可以使用许多其它的支撑剂，例如砂、砾石、玻璃珠、胡桃壳、陶瓷颗粒、烧结铝矾土以及其它材料，包括球形、圆柱形或不规则形状的支撑物。

水力压裂流体是包含增稠剂的水溶液，例如水溶性多糖，以便提供充足的粘度来输送支撑剂。典型的增稠剂是聚合物，例如胍尔胶(植物多糖)和胍尔胶衍生物(羟丙基胍尔胶、羧甲基氢丙酯)。也可以使用其它的聚合物作为增稠剂。具有胍尔胶的水是线性凝胶，其粘度随聚合物的浓度增加而增加。使用交联剂提供聚合物链之间的关联以形成增加凝胶粘度并且产生粘弹性的足够强的结合。用于胍尔胶的常用的交联剂包括：载有硼、钛、锆、铝的化合物。

可以使用纤维提高压裂流体输送支撑剂的能力并且减少支撑剂在水力压裂内的沉降。对于以段塞或脉冲泵入支撑剂的作业，也可以使用纤维减少支撑剂段塞在完井中行进以及进入裂缝时的分散。

也可以在水力压裂处理的后一阶段使用支撑剂倒流控制剂，以限制放入地层的支撑剂的倒流。例如，支撑剂可以由在井下条件中激活的可固化的树脂涂敷。也可以使用不同的材料，例如纤维束，或者纤维状或可变形材料，以保留裂缝中的支撑剂。纤维很可能在支撑剂填充层中形成限制支撑剂倒流的三维网络。

水力压裂处理的成功与否取决于水力压裂导流率和裂缝长度。裂缝导流率是支撑剂渗透率和裂缝宽度的乘积；单位通常用毫达西-英尺表示。裂缝导流率受多个已知参数的影响。支撑剂颗粒尺寸分布是一个影响裂缝渗透率的重要因素。裂缝面之间的支撑剂浓度是另外一个因素(用每平方英尺的裂缝表面有多少磅支撑剂表示)，并且影响裂缝宽度。可以考虑使用高强度支撑剂、具有优良的支撑剂传输特性的流体(使裂缝自身内重力驱动的沉降最小化的能力)、高支撑剂浓度或大支撑剂作为提高裂缝导流率的方法。弱材料、支撑剂输送能力差以及窄的裂缝都会导致井产量低。强度低的价格相对低廉的材料、例如砂用于具有小内应力的地层的水力压裂。成本更高的材料，例如陶瓷、铝土矿以及其它，用于具有小到中等的闭合应力的地层。成本更高的材料，例如陶瓷、铝土矿以及其它，用于具有更高的闭合应力的地层。

支撑剂填充层必须产生具有高于周围的地层岩石的水力导流率的通道。裂缝内的支撑剂填充层通常被建模为可渗透的多孔结构，并且地层流体穿过这个层的流量通常使用著名的达西定律(Darcy’s Law)(1)或Forscheimer方程(2)被描述：

$\∂P/\∂x=-(\mathrm{\μu}/k);---\left(1\right)$

$\∂P\∂x=-[(\mathrm{\μu}/k)+{\mathrm{\β\ρu}}^2],---\left(2\right)$

其中，

P是裂缝中的流体压力；

x是从井眼沿着裂缝的距离；

μ是地层流体的粘度；

u是地层流体的流动(渗入)速度；

k是支撑剂填充层的渗透率；

β是被称作贝塔因子的系数，其描述对达西渗入定律的非线性修正；以及

ρ是地层流体的密度。

裂缝渗透率与裂缝宽度相乘的结果被称为“水力导流率”。裂缝设计最重要的方面是针对特定地层条件的水力导流率的优化。

裂缝优化过程要在支撑剂强度、水力压裂导流率、支撑剂分布、材料成本以及在特定储层中执行水力压裂处理的成本之间寻求平衡。大支撑剂颗粒尺寸的情况是在优化过程期间做出的折中。使用大直径支撑剂，水力压裂导流率的大幅增加是可能的。然而，在给定的内部地层应力下，大直径支撑剂在受到高裂缝闭合应力时，会在更大的程度上被压碎，从而导致支撑剂填充层的有效的水力导流率降低。而且，支撑剂颗粒越大，它们越受到注入点附近的裂缝中的桥接和捕获的影响。

在此通过引用并入该专利的美国专利6,776,235，“水力压裂方法”(“Hydraulic Fracturing Method”)公开了用于优化裂缝导流率的方法和手段。井导流率通过向井眼中顺序注入输送支撑剂的能力不同的，或输送的支撑剂的量不同的压裂流体的交替阶段而增加，以改善支撑剂放置。按照这个处理得到的张开的裂缝具有以一系列沿裂缝延伸的支撑剂束为特征的样式。换句话说，这些束形成使裂缝沿其长度保持张开但是提供很多通道供地层流体流通的“柱”。

通常使用用于表面处理和切割的水力喷砂方法在套管和地层中切割出射孔或槽，替代使用聚能射孔弹或铣切割器。

用水力喷砂射孔在地层中切割槽的装置可以包括悬挂在井内的油管上的射孔器，在地面上有水力喷砂射流生成器。该射孔器可以包括具有两个相反的侧向定向的喷嘴，它们指向井壁。水力喷砂浆液可以在水力喷砂喷射生成器中制备，并且通过油管和井底装置泵入到射孔器中。其它的喷砂射孔装置在本领域内是已知的。

发明内容

提供这个发明内容部分是为了介绍下面在详细的描述中将进一步描述的经过选择的概念。此发明内容部分并不意图确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用来帮助限定所要求保护的主题的范围。

为了本公开的目的，术语“射孔”和“站”可以互换，并且将使用术语“射孔”。另一方面，一簇可以包括一个或多个射孔。如果簇包括多个射孔，这些射孔相对紧密地聚集在一起，并且通常使用具有多个喷嘴的喷砂喷嘴射孔工具同时形成。多个簇是指被未被射孔的层段隔开的单独的簇(即，一个或多个射孔)。

在一个方面，公开了一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分。所公开方法可包括：使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的至少一簇射孔。所公开方法还可包括：将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼并使得穿过所述簇。所公开方法还可包括：将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过所述簇射孔。所公开方法还可包括：重复将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以提供具有不同支撑剂浓度的附加的(即，第二、第三、第四等)携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过所述簇射孔。该方法还可以包括：使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的附加的簇，其中，附加的簇与其他的簇被未被射孔的层段隔开。该公开的方法还可以包括：同时处理所有的簇，如上面所讨论的，先是不含支撑剂的压裂流体，然后是携带支撑剂的浆液。

附图说明

图1示出了被未被射孔的层段分离的多个预估射孔簇，它们可以由喷砂射孔形成。

图2示出了环形空间压裂和喷砂射孔工具。

图3以图表示出了根据本公开的压裂泵入规划。

图4是根据喷砂技术产生的洞穴或射孔的照片。

图5是示出根据本公开的射孔和泵入规划的流程图。

具体实施方式

本公开涉及改进的喷砂射孔技术(该技术能够产生被未被射孔的层段分离的预估射孔簇)与随后的包括支撑剂脉冲供送的改进的水力压裂技术的组合。从1到100或更多的簇的任何位置可以被一起处理，每个簇可以包括1到20或更多的射孔。每个簇的长度可以高达5米或更多，未被射孔的层段的长度可以在大约10厘米到大约5米或更多的范围内。喷砂射孔可以可选择地通过连续管执行，随后的压裂技术可以可选择地通过由连续管和套管产生的环形空间执行。当然，可以采用对本领域技术人员显而易见的其它的技术。

喷砂射孔可能比聚能射孔具有多种优势，因为喷砂射孔可以允许对射孔簇位置和射孔簇之间的未被射孔的层段采用可选择的方法。喷砂射孔还可以使得套管内的射孔的数量显著减少，但是仍然可以提供无风险的支撑剂导入，这是由于通过喷砂射孔技术在水泥和地层内产生的洞穴的表面积大。另外，这样的洞穴可以连接井眼与裂缝。

在一个实施例中，喷砂射孔方案可以包括高达5米长的射孔簇，且还可以包括簇之间的未被射孔的层段，该层段的长度可以从大约10厘米到5米或更多。根据诸如地层厚度、井眼偏离以及裂缝设计参数的因素，用于压裂处理的簇的数量可以在1到100之间变化，或为任何合适的数量。根据诸如地层特性和压裂处理设计细节的因素，每个簇中的射孔的数量可以在1到20(或更多)之间变化，或为任何合适的数量。在一个例子中，每个簇可以包括1到6个通过穿过射孔器的喷嘴的流体射流以切向上不同的方向产生的射孔或洞穴。图1示出了这样的射孔方案的示例，图2示出了喷砂射孔装置的示例。

图1示出了内衬有套管11的井眼10的剖面图，环形空隙位于套管和地层12之间并填充有水泥13。图1示出了多个射孔簇14，在图1示出的实施例中，每一个射孔簇包括1个到4个形成延伸穿过水泥13并且进入地层12的洞穴的射孔15。簇14可以被未被射孔的层段16彼此分离。尽管每个簇14可以使用下面公开的改进的水力压裂技术单独地被处理，但每个簇14也可以使用公开的水力压裂技术同时被处理。

图2示出了用于形成图1中示出的簇14的喷砂射孔工具19。工具19包括接箍定位器/扶正器20、连接器22和喷砂接头23。接箍定位器/扶正器20连接于连接器22下方，该连接器22可以用于将工具19连接到连续管(未示出)或其它的下井仪器串(未示出)。接箍定位器20用于基于位于井套管11中的接箍24(图1)来确定工具19何时位于井中的特定的目标区域内。尽管图2的实施例包括接箍定位器/扶正器20，但这个装置也可以是用于确定井眼10内的井下组件的位置的多种井下装置中的一种。断开工具22可以可松开地将工具19连接到连续管、下井仪器串、钻杆、缆线等的底端。具有圆头25的逆止阀位于工具19的远端处。

一旦工具19已被设置在新的目标区域内并且喷砂接头23位于合适的位置上时，携带喷砂的流体可以通过位于喷砂接头23的外部上的喷射端口27以高压被泵入。例如，20/40Ottowa的砂可以通过喷砂接头23被泵入以在如图1所示的期望位置处产生穿过套管11的射孔15。使用20/40Ottowa的砂通过喷砂接头23泵入可以只需20分钟在目标区域中的套管11和水泥13上射孔。得益于本公开的本领域普通技术人员会意识到，工具19还可以用于在油管上射孔。喷砂接头23的喷射端口27的结构可以变化，以改变由喷砂接头23产生的射孔的数量和位置。各个喷射端口27的结构还可以变化，以改变喷砂接头23的切割功率。

在套管11(或油管)已经被射孔之后，如图1所示，工具19可以从井眼10中撤回，或者，如果工具19被置于连续管(未示出)的一端，该工具可以从射孔15移开，以提供足够的环状流路来允许射孔15增产。

压裂流体以高压沿套管11泵入，以试图穿过目标区域中的射孔15生成裂缝。

在用于地下地层的水力压裂方法中，称为“前置液阶段”的第一阶段包括以在地层中产生水力压裂的足够高的流速将压裂流体注入井眼中。泵送前置液阶段，直到裂缝具有足够的尺寸，以容纳在支撑剂阶段泵送的随后的浆液。前置液的体积可以由裂缝设计领域中的技术人员来设计。

水基压裂流体是常用的(其中，天然或合成的水溶性聚合物被添加以增大流体粘度)，且在整个前置液和随后的支撑剂阶段使用。这些聚合物包括但不限于：瓜耳豆胶；甘露糖和半乳糖的糖类组成的高分子量多糖；或瓜耳胶衍生物，例如，羟丙基胍尔胶、羧甲基胍尔胶、羧甲基羟丙基胍尔胶。基于硼、钛、锆或铝复合物的交联剂通常用于增加聚合物的有效分子量，使其更好地适于在高温井中使用。

在小的程度上，纤维素衍生物，例如，羟乙基纤维素或羟丙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素，与交联剂一起使用或者不与交联剂一起使用。两种生物聚合物-黄原胶和硬葡聚糖–具有良好的支撑剂悬浮能力，但比胍尔胶衍生物更昂贵，所以不常用。聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯聚合物以及共聚物通常用于高温应用或用作用于所有的温度范围的低浓度的摩擦减低剂。

没有聚合物的水基压裂流体可使用粘弹性表面活性剂获得。通常，这些流体通过混合在适量的合适的表面活性剂(例如，阴离子、阳离子、非离子和两性离子表面活性剂)中来制备。粘弹性表面活性剂流体的粘度归因于由流体的组分所形成的三维结构。当粘弹性流体中的表面活性剂浓度显著地超过临界浓度，并在大多数情况下，在存在电解质时，表面活性剂分子聚集成种类，例如，蠕虫状或棒状胶束，它们可以相互作用，以形成表现出粘性和弹性特性的网络。

在“前置液阶段”之后，称作“支撑剂阶段”的几个阶段被注入地层中。支撑剂阶段包括以固体颗粒或粒体的形式周期性地引入到压裂流体中以形成悬浮液。支撑剂阶段分为两个周期性重复的子阶段：“载体子阶段”包括注入不含支撑剂的压裂流体；“支撑剂子阶段”包括添加支撑剂到压裂流体中。由于包含颗粒状支撑剂材料的浆液的周期性供送，支撑剂没有完全填充裂缝。相反，间隔开的支撑剂团块作为柱形成，它们之间的通道可供地层流体流动通过。泵送的支撑剂和载体子阶段的体积可以不同。也就是说，载体子阶段的体积可以大于或小于支撑剂子阶段的体积。此外，这些子阶段的体积可以随着时间改变。也就是说，早期在处理中泵送的支撑剂子阶段可以比稍后在处理中泵送的支撑剂子阶段的体积小。这些子阶段的相对体积由工程师基于期望被支撑剂团块支撑的裂缝的表面积的大小和裂缝面积中的多少被期望作为地层流体自由地流过的开放通道来选择。作为非限定性的示例，载体子阶段或支撑剂子阶段的体积可以为零。

下面的表1示出了支撑剂阶段的样本泵入规划。

表1：

图3以图表示出了另一个泵入规划。在表1和图3中，“脏脉冲”指的是“支撑剂子阶段”，“清洁脉冲”指的是“载体子阶段”。参考图3，称为前置液阶段的第一阶段以附图标记31示出。多个支撑剂阶段以附图标记32-37示出，其中，每个支撑剂阶段32、33、34、35、36表示注入具有增加的支撑剂浓度的携带支撑剂的压裂流体。在每个阶段32、33、34、35、36内，“清洁”压裂流体的脉冲之后跟着“脏”脉冲或携带支撑剂的压裂流体(或浆液)的脉冲。每个脉冲的Δt可以与表1中给出的示例的12秒有很大变化。例如，清洁脉冲和脏脉冲时间可以在大约5秒到1分钟或更长的范围内，可以优选的是大约5秒到大约30秒的范围内的脉冲时间。最终的收尾阶段以附图标记37示出，并且清洁脉冲体积为零。

支持在使用支撑剂脉冲供送技术处理后促进裂缝内的通道形成的这种喷砂射孔方案的一些概念包括：(1)井眼附近的地方是支撑剂导入(高切向应力)的最关键的区域。公开的技术可以允许可靠的支撑剂导入并且降低支撑剂桥接的风险。这甚至可以通过比聚能射孔技术所需的孔的数量更少的套管内的孔的数量实现。套管内减少的孔的数量可以通过喷砂洞穴的几何特性实现，该喷砂洞穴与裂缝的接触面积相对于通过聚能射孔技术形成的通道所生成的接触面积要大。喷砂洞穴的产生不需要过高的温度或压力，也不会破坏其周围表面。(2)由于更好的支撑剂导入，可减少射孔的总数量而不会增加支撑剂桥接(在一些示例中，每个簇有一个射孔)的风险，以增加转移压力，从而导致注入特性改善(所有的簇接纳浆液)。在浆液进入裂缝之前，将支撑剂脉冲更好地分成更小的结构通过井眼处的团块实现。(3)减少给定射孔层段内的射孔的数量可以对完井有益，其中，几个裂缝要在压裂流体注入期间生成。一个示例是在水平井眼中生成几个横向的裂缝，其中，通过每个射孔簇要生成一个裂缝。一个簇内产生的射孔越多，生成的裂缝的数量越难预测。如果一个簇内的射孔的数量不够充分的支撑剂导入(例如，聚能射孔)，那么在给定的簇处可能没有裂缝产生。如果射孔的数量太多，那么在一个簇内会产生不止一条裂缝。精确的估计产生的裂缝的数量对于恰当的裂缝设计工作是必要的。例如，产生的裂缝的数量可以影响“支撑剂子阶段”和“载体子阶段”持续时间的选择。因此，使用簇内孔数量少的喷砂射孔会获得更可靠的压裂处理设计。(4)簇可以在它们彼此分离方面被调整以保证形成最优的通道。如果使用喷砂射孔，簇的尺寸、簇之间的距离、孔密度、特定的簇内的孔密度变化、孔尺寸、特定的簇内的孔尺寸变化可以很容易地定制为适合地层的岩土力学特性的变化。射孔枪的一个特性是射孔密度。射孔密度的倒数值是射孔间距或射孔之间的距离。如果使用常规的射孔枪，那么簇高度以及簇之间的距离将会是射孔间距的倍数。喷砂射孔没有这些限制。聚能射孔中的孔尺寸和射孔通道几何特性取决于套管厚度、射孔弹类型以及岩石特性。对于聚能射孔，诸如孔尺寸和通道几何特性的参数受枪和射孔弹规格的限制。在喷砂射孔的情况下，可以在处理期间选择浆液速率和切割持续时间，以定制孔尺寸和洞穴几何特性。

可以在支撑剂阶段将加强和/或固结材料引入到压裂流体中，以提高形成的支撑剂团块的强度并防止它们在裂缝闭合期间塌缩。通常，加强材料可以被添加到支撑剂子阶段，但是不一定总是这样。支撑剂和加强材料的浓度可以在整个支撑剂阶段随着时间且根据不同的子阶段而改变。也就是说，加强材料的浓度可以在两个相继的子阶段不同。在本方法的一些应用中，在整个支撑剂阶段(载体子阶段和支撑剂子阶段期间)将加强材料以连续的方式引入也是合适的。换句话说，加强材料的引入不仅仅局限于支撑剂子阶段。尤其是，在加强材料的浓度在整个支撑剂阶段期间不变；在支撑剂阶段单调地增加；或者在支撑剂阶段单调地减少时，不同的实施方式可能是优选的。

可固化的或可部分固化的涂敷了树脂的支撑剂可以用作加强和固结材料以形成支撑剂团块。针对特定的井底静态温度(BHST)的适当的涂敷了树脂的支撑剂的选择过程和特定的压裂流体对于有经验的工人来说是公知的。另外，有机和/或无机纤维可加强支撑剂团块。这些材料可以与涂敷了树脂的支撑剂组合使用或单独使用。这些纤维可以被改性为只具有粘合涂层，或可以具有由通过裂缝时可溶解在压裂流体中的非粘合物质层涂敷的粘合剂涂层。由粘合剂材料制成的纤维可以用作加强材料，其由在以地下温度通过该裂缝时溶解在压裂流体中的非粘合物质涂敷。金属颗粒是加强材料的另一种优先选择，并且可以使用铝、包含减少腐蚀的特殊添加剂的钢、以及其它的金属和合金等等来制得。金属颗粒可以被成形为类似于球体的形状并且尺寸在0.1至4毫米。优选地，金属颗粒具有细长的形状，其长度大于0.5毫米，直径为10至200微米。另外，由有机或无机物质、陶瓷、金属或基于金属的合金制成的板可以用作加强材料。这些板可以是盘状或矩形状，并且其长度和宽度使得对于所有的材料来说最大和最小尺寸的比例大于5:1。

载体子阶段和支撑剂子阶段都可以包括把试剂引入到压裂流体中，以增加支撑剂输送能力。换句话说，降低压裂流体中支撑剂的沉降速率。该试剂可以是具有长度远远超出直径的细长颗粒的材料。这种材料影响流变学特性并抑制流体中的对流，这会导致压裂流体中的支撑剂沉降速率的降低。可以使用的材料包括有机的、无机的、玻璃、陶瓷、尼龙、碳和金属纤维。支撑剂输送剂可能能够在水基压裂流体或井下流体中分解，例如在聚乳酸、聚乙醇酸、聚乙烯醇等的基础上制成的纤维。这些纤维可以由在地下地层温度下变得具有粘性的材料涂敷或制成。它们可以由粘合剂材料制成，该粘合剂材料由在通过裂缝时溶解在压裂流体中的非粘合剂物质涂敷。根据最大和最小尺寸的比例大于5:1的这个主要条件，所使用的纤维可以长于0.5毫米，直径在10-200微米之间。压裂流体中的纤维材料的重量浓度在0.1％到10％之间。选择支撑剂应该考虑增加支撑剂团块强度。在一个实施例中，纤维可以由聚乳酸、聚乙醇酸或包括乳酸和/或乙醇酸的共聚物制成。在其它的实施例中，纤维以每立方米压裂流体0.5到20千克的浓度添加。

支撑剂团块应该在最大的裂缝闭合应力下维持合理的残余厚度。这个方法使通过支撑剂团块之间形成的开放的通道的流体流入增加。在这种情况下，支撑剂的渗透率值，对于使用该方法增加井产量不是决定性的。因此，使用具有对于本地层中标准水力压裂来说被认为太弱的颗粒的砂，可以成功地产生支撑剂团块。砂成本远小于陶瓷支撑剂。另外，在裂缝闭合负荷的施加期间砂颗粒的破坏可以提高由支撑剂粒构成的相同的团块的强度表现。这是因为支撑剂颗粒的开裂/破坏降低了团块孔隙度，从而，增加支撑剂密实度。将砂泵送到裂缝中以产生支撑剂团块不需要良好的粒度特性，即，窄的颗粒直径分布。例如，在一个实施例中，可使用50吨砂，其中，10至15吨具有0.002至0.1毫米的颗粒直径，15至30吨具有0.2至0.6毫米的颗粒直径，10至15吨具有0.005至0.05毫米的颗粒直径。应该注意，在实施先前的(常规的)水力压裂方法产生的裂缝中，需要约100吨比砂更加昂贵的支撑剂来获得水力导流率的相似值。

可以优选地使用只具有粘合剂涂层的砂或由在通过裂缝时可溶解在压裂流体中的非粘合剂物质层涂敷的粘合剂涂层。非粘合剂物质保证粘合的支撑剂颗粒在进入裂缝之前不会形成结块，并且允许控制在支撑剂颗粒获得其粘合性时(的地方)处于裂缝中的时刻(地点)。粘合剂涂层在地层温度下固化，并且砂颗粒彼此之间粘合。团块内的粘结颗粒可以减少当地层流体流过团块时的支撑剂团块的腐蚀速率，并且最小化由于腐蚀引起的支撑剂团块的破坏。

在一些情况下，支撑剂阶段之后可以是图3中称为“收尾阶段”的支撑剂阶段，其包括将一定量的支撑剂连续地引入。如果使用的话，压裂处理的收尾阶段类似于常规压裂处理，其中，支撑剂的连续床相对靠近井眼放置在裂缝中。收尾阶段可以包括引入提高流体的支撑剂输送能力的试剂和/或充当加强材料的试剂。收尾阶段与第二阶段的区别在于，良好分类的支撑剂(即，具有基本上均匀的颗粒尺寸的支撑剂)的连续放置。在经受在裂缝闭合时发生的应力时，支撑剂强度足以防止其开裂(破碎)。该阶段的支撑剂的作用是防止裂缝闭合，因此，在最靠近井眼处提供良好的裂缝导流率。

所公开的水力压裂方法在连续地泵入支撑剂的同时引入一种或多种试剂到处理流体中以在泵入期间促进裂缝中支撑剂团块的形成。当试剂起反应时，它引起支撑剂团块的就地形成。通常试剂选择或设计为使其反应或功能延迟直到其被放置在裂缝内。延迟化学和/或物理反应是在水力压裂以及很多其它的工业过程中经常使用的方法。可以使用的一个方法是随着压裂流体在进入地下深处的高温度地层而温度升高时，试剂的简单的温度激活。例如，过硫酸铵均裂在地面温度20℃时相对较缓慢，但是在地层温度100℃时相对迅速。第二种方法是活性试剂或结合剂的缓慢溶解。聚乙烯醇在水中的溶解率取决于其分子量。活性组分封装是水力压裂中经常采用的方法。活性材料或试剂在一段时间内通过相对非活性的胶囊避免与压裂流体接触。封装的材料随后通过很多不同的方法或慢或快地释放活性剂。封装可以被设计为通过溶解、机械侵蚀、压碎溶胀和破裂，或简单地通过缓慢扩散释放其所含之物。

压裂处理的第一阶段，即“前置液阶段”(图3)照常泵入。不同于前面支撑剂不连续地泵入的实施例，支撑剂连续泵入。支撑剂的浓度在支撑剂阶段可以增加，保持不变或减少。通常支撑剂浓度开始时很低，在处理快结束时提高到更高的浓度。这个实施例的关键是引起支撑剂团块成核或形成的试剂在支撑剂阶段不连续地或周期性地引入到压裂流体中。试剂被设计为只在裂缝内的小的部位或区域中起作用。这个区域内的支撑材料受影响而形成团块、桥接并且变得固定不动。除此之外，在团块形成之后泵入的支撑剂可以在团块上聚集，并且使其尺寸增长。

生成支撑剂的团块的一种方法是局部地降低流体输送固相颗粒的能力。在这种情况下，试剂可以是高浓度氧化“破坏剂”，例如过硫酸铵，其在裂缝中的不同地方与压裂流体反应时导致压裂流体局部粘度急剧且显著减小。当流体粘度降低到临界值以下时，压裂流体不能传递支撑剂颗粒，颗粒停止、沉降，并且形成支撑剂团块。添加纤维大大促进支撑剂团块的形成。释放时间长的被封装的破坏剂可以在支撑剂阶段开始时使用，释放时间短的被封装的破坏剂可以在支撑剂阶段结束时使用。

加强材料(例如纤维)可以显著增加支撑剂在裂缝壁之间局部堵塞并且形成团块的倾向。因此，在这个实施例中，如上讨论的纤维和/或其它的加强材料可以在支撑剂阶段连续地或不连续地(与破坏剂同时)添加到压裂流体中。

对在第一实施例中所使用的支撑剂特性的要求也可以应用在第二实施例中。可以使用没有窄的颗粒直径分布的支撑剂，就是说，每个颗粒具有相对小的强度值的没有良好分类的支撑剂。例如，可以是具有与本方法的第一个实施例中所描述的涂层相似的涂层的砂颗粒。上面提到的第三阶段也可以发生。

有竞争力地结合交联剂的化学物质可以是用于局部地减少流体粘度的另一种类型的试剂。局部释放螯合剂(与锆交联剂反应)、山梨糖醇或聚乙烯醇(其与硼酸盐交联剂反应)或其它使交联剂无效的物质可以导致聚合物凝胶不交联，并且显著减少压裂流体粘度。由于很多交联反应取决于pH值，因此局部释放酸或碱也能够减少流体粘度。例如，可以通过引入封装的酸和/或物质颗粒、例如聚乳酸或聚乙醇酸(其中酸的释放和生成以可控的速率发生)操控压裂流体pH值。改变压裂流体pH值会降低交联剂亲和性以与聚合物形成稳定的结合，并且对于某些特定聚合物交联剂组合来说流体粘度降低。

为了所述目的，也可以使用封装的吸收剂或聚合物链交联剂的有竞争力的螯合剂，它们允许可控的释放。交联凝胶化合物(例如葡糖酸钠或山梨糖醇)可以用于硼酸盐。对于金属交联剂(例如钛酸盐或锆酸盐)，可以使用包括但不限于EDTA、NTA、磷酸盐、多乙酸乙烯酯的化合物。选择特定的化合物攻击所讨论的交联剂对于技术人员来说是已知的。这样的吸收剂可以是例如磷酸盐或聚乙烯。

通过减少压裂流体的局部粘度提供支撑剂团块形成的试剂还可以表示与压裂流体反应以提供大量的局部热释放、从而导致压裂流体温度升高进而减少其局部粘度的化学物质。这些物质的示例包括爆炸物或封装的活性金属，例如钠，其在裂缝的各个地方释放物质以提供遍布裂缝长度的支撑剂团块形成。

支撑剂团块和团块之间的通道可以通过降低裂缝中的支撑剂的移动性形成。这种方法包括上面描述的前置液和支撑剂阶段，但是不同在于产生团块形成的试剂降低支撑剂颗粒的移动性。

具体地讲，添加剂可以是慢慢扩大并且由于机械搅拌散落单个纤维的纤维束。(纤维)束的增加的排除体积以及纤维浓度的局部的增加可以产生阻塞并且产生支撑剂团块。

添加剂也可以是由具有“形状记忆”特性的合金制成的切割的金属丝。例如铜-铝-镍(CuAlNi)形记忆合金在许多含油气地层的温度范围内起作用。这些材料可以弯曲成为小球(弹簧)形，并且在地面温度下保持它们的形状。当加热到储层温度时，具有“形状记忆”功能的材料经历相变，同时恢复其最初记忆的直线形。通过改变合金成分，相变温度变化是可能的。可以优选地引入一种各部分的相变温度有变化的材料。例如，在支撑剂阶段开始时，引入具有最高相变温度的材料可能是合理的(比如略低于地层温度)；在第二阶段结束时，引入具有最低相变温度的材料可能是合理的(比如略高于地面流体温度)。这些具有“形状记忆”材料的球通常与支撑剂颗粒的尺寸相似。

当金属球受到裂缝中升高的温度时，它们恢复其最初的形状，也就是说，它们变直。如上面所提到的，它们所含物的局部增加有效地促进裂缝中支撑剂团块的形成。通过变化合金成分逐渐变化形状恢复温度的能力允许金属丝的形成，因此不可移动的支撑剂团块在遍布裂缝长度上均匀地分布。

也可采用使用超强吸收材料来在流动的压裂流体中形成局部阻塞。超强吸收剂(例如交联聚丙烯酰胺聚丙烯酸酯共聚物)可以吸收其在水中重量的100到300倍的水。很多种类型的超强吸收剂是可以得到的。选择特定的一种可以由例如地层温度、用于制备压裂流体的水的盐含量等等这些因素确定。

可以使用被壳或乳剂保护的超强吸收剂，所述壳或乳剂在其通过裂缝或在压裂流体温度升高时(或这些条件的组合)溶解或分散。通过改变壳的厚度，可控制将一部分超强吸收剂引入到压裂流体中与其从壳中释放之间的时间间隔。当壳溶解或分散时，吸收颗粒通过从其周围吸水而开始生长。增加颗粒的质量和尺寸会降低它们通过裂缝的运动能力，并最终导致局部堵塞，捕获支撑剂颗粒，并且形成支撑剂团块。

用于降低裂缝中支撑剂的移动性的添加剂还可以是在地层温度下表面变得“粘性的”颗粒、纤维或板。可以优选具有粘合剂表面的颗粒的附加涂层，其具有在压裂流体中可溶的非粘合物质层；通过改变物质厚度，时间间隔可以改变，随着时间间隔的流失会引起支撑剂团块由于它们的表面粘合特性而形成。另一种控制时间间隔的技术使用在不同温度下获得粘合特性的涂层。可以优选在第二阶段开始时引入具有最大厚度的保护涂层的颗粒(因此具有显示“粘合”特性的最高温度)。并且优选在第二阶段结束时分别引入具有最小厚度的保护涂层的颗粒(因此具有显示“粘合”特性的最低温度)。当这样的颗粒进入裂缝时，它们碰撞(撞击)并且粘附，形成支撑剂颗粒块体。当块体尺寸变得与裂缝的特征宽度相当时，它们挤压在裂缝面之间，从而引起局部支撑剂堵塞并且形成支撑剂团块。

也可以随压裂流体使用加强材料，从而，增加形成的支撑剂团块的强度；并且引入通过降低经过压裂流体的支撑剂的沉降速率增加流体的支撑剂输送能力的试剂。所有这些对于选择支撑剂的要求，特别是对于使用具有相对适度的强度的支撑剂的要求，仍然可以适用(可能的)宽的颗粒尺寸分布，支撑剂初始由在地层条件下可固化的结合剂层涂敷。

可以采用通过顺序泵入具有不同粘度的两种流体到井眼中形成支撑剂团块和它们之间的通道。这种方法包括如上讨论的前置液阶段，支撑剂阶段包括连续注入支撑剂到给定的流体中。与前面的实施例相似，支撑剂阶段可以包括将加强材料引入到压裂流体中，这些材料使形成的支撑剂团块的强度增加；并且引入通过降低支撑剂的沉降速率增加流体的支撑剂输送能力的试剂。所有这些对于选择支撑剂的要求，特别是对于使用具有相对适度的强度的支撑剂的要求，仍然可以适用宽的颗粒尺寸分布，并且初始由在地层条件下可固化的粘合剂层涂敷。

然后，终止注入含支撑剂的压裂流体与其它的材料，并且向生成的裂缝中注入粘度非常低的流体。由于它们的粘度不同，在注入粘度更高的流体后注入粘度较低的流体会导致粘度较低的流体以“侵入”的形式渗入到粘度更高的流体中。这会在填充裂缝的支撑剂中形成通道，从而将支撑剂分成离散的团块。

如上所讨论的，第四“收尾”阶段可以包括连续向流体中注入具有基本上均匀的颗粒尺寸的支撑剂、加强材料和/或具有增加压裂流体的支撑剂输送能力的细长颗粒的材料。

上面描述的通过不同的机制形成支撑剂团块的水力压裂的所有方法提供了非常高的水力压裂导流率。这通过遍布整个裂缝长度和高度的良好间隔开的强支撑剂团块的形成而发生。这些团块稳定足以防止裂缝闭合；并且团块间的通道具有足够大的横截面供地层流体流动。

工业实用性

图5是示出喷砂射孔与改进的水力压裂技术的另一个公开的组合的流程图。框41表示将公开的射孔工具19放置到井眼10中。在框42中，工具19定位于目标区域内。在框43中，初始射孔簇14在喷砂射孔部位内产生。在框44中，工具19被重新放置在新的目标区域。在框45中，新的簇14被射孔出。在框46中，不含支撑剂的压裂流体沿着套管11泵入。这在上面被称为前置液阶段，也在图3中示出。然后，在框47中，携带支撑剂的浆液沿着套管11泵入，在框48中，以给定的支撑剂浓度顺序重复框46和47，如图3所示。然后，在框49中，另一种携带支撑剂的浆液沿着套管11泵入，之后在框50中泵入清洁的压裂流体。然后，在框51中，可以重复框49-50，并且可以遵循图3中所阐述的方式。

尽管上文仅仅详细描述了几个示例实施例，但本领域技术人员会意识到示例实施例中不实质上偏离本公开精神和范围的很多修改是可能的。上面提到的在单独的实施例中示出的特征可以结合那些没有特别示出和描述的特征使用。因此，所有这样的修改旨在包括在如下面的权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括：

使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的具有至少一个射孔的第一簇；

将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中并使得穿过第一簇；

将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过第一簇。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

将一种不含支撑剂的压裂流体与附加的支撑剂组合以提供一种或多种支撑剂浓度不同的附加的携带支撑剂的浆液，并且对于每一种附加的携带支撑剂的浆液，交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得穿过所述至少一个簇。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个附加的携带支撑剂的浆液与第一携带支撑剂的浆液具有不同的支撑剂浓度。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的具有至少一个射孔的第二簇，其中，第二簇与第一簇由未被射孔的层段分隔开；

将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过第一簇和第二簇；

交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过第一簇和第二簇。

5.如权利要求1所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度。

6.如权利要求1所述的方法，其中，第一簇和第二簇分别包括大约1个到大约10个射孔。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

形成1个到大约100个附加的簇；

将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过所有簇；

交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过所有簇。

8.如权利要求1所述的方法，其中，先注入每一第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体的操作以一系列大体均匀的脉冲执行。

9.如权利要求1所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。

10.如权利要求3所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。

11.如权利要求6所述的方法，其中，压裂流体还包括纤维。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一簇的形成通过连续管执行，交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过第一簇的操作通过连续管和套管之间的环形空间执行。

13.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括：

(a)使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的第一簇；

(b)将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得穿过第一簇射孔；

(c)将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液；

(d)注入第一携带支撑剂的浆液并使得穿过第一簇；

(e)以交替的形式重复步骤(b)和(d)。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

(a)(1)使用水力喷砂射孔形成穿过套管且进入地层中的第二簇，未被射孔的层段布置在第一簇和第二簇之间；

(b)(1)将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，且使得同时穿过第一簇和第二簇；

(d)(1)注入第一携带支撑剂的浆液，且使得同时穿过第一簇和第二簇；以及

(e)(1)以交替的形式重复步骤(b)(1)和(d)(1)。

15.如权利要求14所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

形成1个到大约100个附加的簇；

将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得同时穿过所有簇；

交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得同时穿过所有簇。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一簇的形成通过连续管执行，第一携带支撑剂的浆液和不含支撑剂的压裂流体的注入通过套管和连续管之间的环形空间执行。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二簇的形成通过连续管执行，第一携带支撑剂的浆液和不含支撑剂的压裂流体的注入通过套管和连续管之间的环形空间执行。

19.一种用于对具有井眼的地下地层进行射孔和压裂的方法，所述井眼内衬有套管，所述套管延伸穿过地层的至少一部分，所述方法包括：

使用喷砂射孔形成2到大约100簇射孔，未被射孔的层段位于每簇之间；

将不含支撑剂的压裂流体注入到井眼中，并使得穿过这些簇；

将不含支撑剂的压裂流体与支撑剂组合以形成第一携带支撑剂的浆液，并且交替地和重复地向井眼中先注入第一携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体且使得穿过这些簇；

将一种不含支撑剂的压裂流体或第一携带支撑剂的浆液与附加的支撑剂组合以提供支撑剂浓度不同的附加的携带支撑剂的浆液，并且对于每一种附加的携带支撑剂的浆液，交替地和重复地向井眼中先注入每一种附加的携带支撑剂的浆液、然后注入不含支撑剂的压裂流体，且使得穿过第一和第二簇。

20.如权利要求19所述的方法，其中，未被射孔的层段具有大约10厘米到大约5米的长度，并且

其中，这些簇分别包括大约1个到大约10个射孔。