CN104080999A - 在钻井的同时进行压裂的方法 - Google Patents

Abstract

一种在贯穿地层24钻取井筒22的同时压裂地层24的方法，选择性地从钻柱26部署密封结构以在井筒22中在密封结构下方限定空间64；并且将空间64增压。密封结构能够通过将滑动刮板58移入钻头40上的切削刮板42之间的通道56中而形成。密封结构还可以是钻头40上的封隔器62，封隔器62选择性地沿径向向外扩张而与井筒22密封接合。在井筒22中的指定深度，部署密封结构且流体转入空间64中。增压系统将流体增压，以使空间64中的压力克服地层24的强度并且压裂地层24的与封闭空间64邻近之处。可以解除封隔器62，继续钻井且可以在井筒22中的不同深度压裂。

Description

在钻井的同时进行压裂的方法

技术领域

本发明涉及用于从井筒中生产流体的方法。更具体地，本发明涉及用于在地层中钻取井筒的同时压裂地下地层中的离散部分的方法。

背景技术

生产烃的井筒在地面下延伸并且与圈闭有烃的地下地层交叉。井筒通常是通过位于钻柱末端的钻头来产生的，通常，位于井筒开口上方的驱动系统使钻柱和钻头旋转。通常在钻头上设置有切削元件，随着钻头旋转，切削元件刮除井筒的底部且挖掘材料，从而将井筒加深。钻井流体通常沿钻柱向下泵送并且从钻头引入井筒。钻井流体在钻柱与井筒壁之间的环隙中沿井筒向上回流。在挖掘时产生的钻屑随着循环的钻井流体沿井筒向上载送。

有时在井筒壁中形成裂缝，裂缝延伸到与井筒邻近的地层中。压裂通常是通过将高压流体注入井筒中并且密封井筒的一部分来进行的。压裂一般在井筒中的压力超过地层中的岩石强度时开始。通常通过注入诸如砂或树脂涂层颗粒等支撑剂(proppant)支撑裂缝。支撑剂通常还用于阻止从地层向井筒产出砂或其它颗粒物质。

发明内容

本文描述了在地下地层中操作的方法。在一个实例中，该方法包括：为一组钻管提供附接的钻头以限定钻柱；以及利用钻柱形成贯穿地层的井筒。从钻柱的一部分到井筒的壁形成密封结构以产生从井筒的底端到密封结构的密封空间。通过将密封空间增压，压裂地层的与密封空间邻近的部分。该方法还可以包括：将井筒钻到更深的深度，使得井筒的底端处于更深的深度并且反复执行密封步骤和压裂步骤。任选地，在钻井步骤和密封步骤之间，将钻头的底端从井筒的底端向上拉。在一个实例中，密封结构位于钻头上。密封结构可以是封隔器，在该实例中，形成所述密封结构的步骤包括：使流体在封隔器内流动以将封隔器扩张成与井筒的壁密封接合。在可选方案中，封隔器设置在钻头上的套环上。钻头可以包括主体，在主体上有切削刮板和滑动刮板，在切削刮板之间限定了通道，滑动刮板选择性地滑入通道中并且与切削刮板的横向侧部密封接合。在该实例中，形成密封结构的步骤包括将滑动刮板滑入通道中。该方法还可以包括：使钻井流体在钻柱内流动；以及在形成井筒的步骤期间从钻头排出钻井流体。可选地，将井筒增压是通过将钻井流体引入所述密封空间来完成的。

本文还公开了压裂地下地层的方法。在压裂的实例中，利用钻柱在地层中钻出井筒，钻柱具有附接到钻管的钻头。横跨钻柱与井筒的壁之间的环形空间形成密封结构，从形成了密封空间，所述密封空间具有在所述密封结构处的上端以及在井筒的底端处的下端，并且在压力下将流体引入密封空间，该压力向地层施加的力超过地层中的抗张应力并且压裂地层。密封结构可以是封隔器，通过使增压流体从钻柱的环隙流到封隔器来启动封隔器。可选地，通过使钻头上的滑动刮板移入由钻头上的切削刮板限定的通道，而在钻头上形成密封结构，其中滑动刮板的横向侧部密封地接合切削刮板的横向侧部。任选地，可以在钻头上方部署辅助密封结构。在钻取井筒和密封井筒之间，钻头可以从井筒的底部向上移动。在一个实例中，流体是钻井流体。

附图说明

为了实现以及能够具体理解本发明的上述特征、方案和优点以及变得显然的其他特征、方案和优点，下面参考在附图中图示说明的本发明的实施例对上文简要概述的本发明做更具体的描述，附图构成本说明书的一部分。然而，值得注意的是，附图仅图示了本发明的优选实施例，因此，不应视为是对本发明范围的限制，因为本发明可容许有其他同等有效的实施例。

图1是根据本发明的形成井筒的钻井与压裂系统的示例性实施例的侧面局部剖视图。

图2A是与根据本发明的图1的系统一起使用的钻头的实例的侧视图。

图2B是根据本发明的处于密封构造的图2A的钻头的实例的侧视图。

图3是根据本发明的开始压裂步骤的图1的系统的实例的侧面局部剖视图。

图4是根据本发明的完成压裂步骤的图3的系统的实例的侧面局部剖视图。

图5是根据本发明的井筒中多个区域具有裂缝的图1的系统的实例的侧面局部剖视图。

具体实施方式

在图1的侧面局部剖视图中显示了在贯穿地层钻取井筒的同时进行压裂的方法的一个示例性实施例。在图1的示例性方法中显示了钻井系统20，钻井系统20贯穿地层24挖掘井筒22。图示的钻井系统20包括细长的钻柱26，钻柱接收来自驱动系统28的旋转力，驱动系统28示意性地显示为在地面上且在井筒22的开口上方。驱动系统28的示例性实施例包括顶部驱动器以及旋转台。多段钻管30通过螺纹连接在一起而形成钻柱26的上部。可选的钻柱旋转头(swivel master)32示意性地图示在钻管30的下端。众所周知的是，钻柱旋转头32的应用允许钻柱26的在钻柱旋转头32上方的部分旋转而不向钻柱旋转头32下方的钻柱26施加任何旋转或转矩。定向钻井组件34显示为任选地设置在钻柱旋转头32的下端上。定向钻井组件34可以包括用于使钻柱26的下端转向的陀螺仪或其他方向型装置。还任选地提供了与定向钻井组件34的下端相连的增强器36。

在一个实例中，压力增强器36在与钻井组件34邻近的入口处接收流体，增加流体的压力，并且从与钻头组件38邻近的端部排出流体，钻头组件38显示为安装到增强器36的下端上。钻头组件38包括显示为刮板钻头或固定钻头的钻头40，但是还可以包括延伸式计量器旋转锥型钻头(extended gauge rotary cone type bit)。切削刮板42顺着钻头40的外表面沿轴向延伸并且显示为具有切削器44。切削器44可以是柱形形状的部件，或者还可以任选地由多晶金刚石材料形成。在图1的钻头40上还设置有喷嘴46，喷嘴46散布在切削器44之间并用于在钻井操作期间从钻头40排出钻井流体。众所周知的是，从喷嘴46流出的流体不仅对由于岩石切削动作而产生热量的切削器44提供冷却而且在钻屑产生时水力地冲走钻屑。钻井流体还沿井筒22向上再循环且携载走在挖掘井筒22时形成的岩层钻屑。钻井流体可以从显示为位于地面上的存储罐48提供，存储罐48经由线路50将流体引入钻柱26中。

图2A是钻头40的侧视图实例，钻头40还包括压裂喷嘴52，显示的压裂喷嘴形成为贯穿钻头40的钻头主体54。喷嘴46(图1)和压裂喷嘴52两者均与从存储罐48提供的流体选择性地流体连通，并且可以各自在指定时刻打开或闭合。存储罐48中的流体能够流经线路50和钻柱26，然后从钻头主体54离开喷嘴46。在一个示例性实施例中，当喷嘴46处于打开状态时，压裂喷嘴52处于闭合位置，使得没有流体通过钻头主体54从压裂喷嘴52流出。相反地，存在这样的操作实例：其中压裂喷嘴52处于打开位置，使得流体在喷嘴46处于闭合位置的同时离开压裂喷嘴52且没有流体通过喷嘴46流出。

在图2A中进一步图示的是钻头主体54上的相邻刮板42之间的细长空间，该空间与钻头的轴线AX大致平行地延伸并且沿着钻头主体54的外表面在刮板42之间限定了通道56。在钻头主体54上以及切削刮板42的上端上方设有滑动刮板58，如下面更详细说明的，滑动刮板58能够从图2所示的位置沿轴向移动进入通道56。在一个实例中，当滑动刮板58移入通道56中时，滑动刮板58和切削刮板42的相应的横向侧部彼此密封地接合。

现在参考图3，示出了钻井系统20(图1)开始进行用于压裂地层24的步骤的实例。在图3的实例中，显示的钻头40处于井筒22中的与要试图压裂的指定区域Z邻近的深度。识别用于压裂的区域Z的位置可以包括使用实时数据，例如地面泥浆测井、钻井时测井或诸如贯入率(ROP)等井下数据。在钻头40处或钻头40附近的一个或多个传感器(未示出)可用于采集数据，并且可经由包括泥浆脉冲遥测仪在内的遥测仪将数据向井上发送。在该压裂实例中，喷嘴46闭合，从而限制流体通过喷嘴46从钻头40流出。对比而言，并且如上文所述，显示的压裂喷嘴52设定到打开位置，而使流体可以通过压裂喷嘴52从钻头40排出。在图3中还显示出了，钻柱26已经定位成使得钻头40的下端设定到井筒22的底端58上方的一定距离处，其中该距离可以是从小于大约一英尺到大约10英尺的范围，以及在这两个距离之间的所有距离。

进一步图示出套环60，套环60在钻柱26上且邻近钻头40的上端。在套环60的外周上设有封隔器62，显示的封隔器62是膨胀的且从套环60沿径向向外扩张而密封接合在井筒22的内表面之内。封隔器62在膨胀且将井筒22密封时限定了钻头40与井筒22之间的空间64，该空间64相对于井筒22的位于套环60之上的部分是密封的。在图3的实例中，空间64从封隔器延伸到井筒底部59。在实例中，在限定了密封空间64之后，流体从压裂喷嘴52排入空间64中。空间64中的流体压力对地层24施加超过岩层24的抗张应力的应力。

现在参考图2B，显示了钻头40的实例，其中刮板42从钻头主体54沿径向向外延伸而与井筒22的内表面接触。还显示了，滑动刮板58已经向下移入刮板42之间的通道56中，从而占据了通道56的一部分。而且，如上所述，刮板42、58的相对的横向侧部彼此接合而密封接触。滑动刮板58也沿径向向外延伸而与井筒22的壁接触，因此在钻头40与井筒22的壁之间的环形空间中形成密封结构。显示出在主体54中设有槽66，槽66可以各自接收附接到滑动刮板58的内表面上的连接臂(未示出)。槽66能够沿指定路径引导连接臂，因此沿指定路径引导滑动刮板58。此外，槽66能够提供贯穿主体54的开口，因此连接臂能够与用于使滑动刮板58移动的致动器相连。在图2B的实例中，空间64B在套环60和封隔器62的下方延伸且进入钻头主体54与井筒22的内表面之间的空间，并且比用图2A的钻头40的构造形成的空间64(图3)小。通道56占据了密封空间64B的一部分。滑动刮板58的优点在于，因为密封空间64B比密封空间64短，因此，还能够压裂井筒22中更加离散的位置。

现在参考图4，图示了地层24中的压裂的实例。开始于井筒壁处的裂缝68显示为横向地延伸到地层24中。图4的裂缝68能够通过将密封空间64中的流体70增压到如下的压力来形成：该压力向地层24施加比要发生裂缝68的地层24的抗张强度大的力。存在如下实例：通过部署封隔器62、或将滑动刮板58移入通道(图2B)而形成空间64B，或上述两个动作，来形成密封空间64。在一个实例中，封隔器62充当通过使滑动刮板58在切削刮板42之间移动而形成的密封结构的辅助密封结构。空间64中的示例性的压力可以是从大约25,000psi至大约30,000psi的范围。流体70可以仅在存储罐48处部分地增压，和/或可以在增强器36中进一步增压。在图4的实例中，图示出，流体70在已经被迫从部署的封隔器62下方的空间64进入裂缝中之后处于裂缝68中。任选地，流体70可以包括钻井流体、专用压裂流体、固态无酸盐水、其组合或其他非损害类的流体。

在一个实例中，在压裂地层24的步骤中，大约100桶(barrel)至大约150桶的流体从压裂喷嘴52中排出。另外，任选地，可以在压裂流体中包含支撑剂，以用于保持裂缝68处于打开位置来增强渗透性，且用于圈闭可能会从地层24流入井筒22的砂。虽然显示裂缝68处于大体水平的位置，可存在其他实施例：裂缝定向为沿着最小水平主应力的平面延伸，使得能够形成进一步延伸进入岩层而远离井筒壁的多个横向裂缝。此外，可在压裂期间启动钻柱旋转头32，使得钻柱26的位于钻柱旋转头32之上的部分可以继续旋转，而不使钻柱旋转头32之下的部分旋转。使钻柱旋转头32之上的钻柱26旋转能够避免钻柱26意外贴到井筒22的壁。在替代的实施例中，钻井可能欠平衡，或者可以是用于评估压裂地层效果的压力受管理的钻井。通过去除增强器36或者使增强器36不起作用，减少流体70的体积，以及监控流体压力和流量，可以解决由于压裂使迁移进入地层的流体比预期得多而引起的井控制问题。任选地，可以在钻井系统20近处提供体积足够的备用钻井流体，以替换任何损失的流体，以及将旋转控制装置(未示出)与钻井系统20成一体。

任选地，如图5所示，钻井系统20(还可以称为钻井与压裂系统)可以在形成第一裂缝68之后继续钻井，并且反复执行形成裂缝的过程。如此，在图5的实例中，显示形成了在井筒22内的沿轴向间隔开的位置处的一系列裂缝68_1-n。进一步在图5的实例中示出了封隔器62已经缩回并且安放在套环60附近，从而允许钻头40自由地旋转并且使井筒22进一步加深。

因此，本文所描述的本发明非常适合于实现上述目标以及实现所提及的目的、优点以及本发明所具有的其他目标。虽然出于公开的目的给出了本发明的当前优选的实施例，但为了实现期望结果，步骤细节上可以存在多方面改变。这些以及其他相似的变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且应被包含在本文披露的本发明的主旨和随附权利要求书的范围之内。

Claims (15)

1.一种在地下地层24中操作的方法，包括：

a)为一组钻管30提供附接的钻头40以限定钻柱26；

b)利用所述钻柱26形成贯穿所述地层24的井筒22；

其特征在于，

c)从所述钻柱26的一部分到所述井筒22的壁形成密封结构，所述密封结构形成了从所述井筒22的底端到所述密封结构的密封空间64；以及

d)通过对所述密封空间64增压来压裂所述地层24的与所述密封空间64邻近的部分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征还在于，将所述井筒22钻到更深的深度以使所述井筒22的所述底端处于更深的深度并且反复执行步骤(c)和(d)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(b)和(c)之间，将所述钻头40的底端从所述井筒22的底端59向上拉。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述密封结构位于所述钻头40上。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述密封结构包括封隔器62，并且所述方法还包括：使所述封隔器62内的流体流动以将所述封隔器62扩张成与所述井筒22的壁密封接合。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述封隔器62设置在所述钻头40上的套环60上。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述钻头40包括主体，在所述主体上设有刮板42和滑动刮板58，在所述刮板42之间限定了通道56，所述滑动刮板58选择性地滑入所述通道56中且与所述刮板42的横向侧部密封接合，并且形成所述密封结构的步骤包括使所述滑动刮板58滑入所述通道56中。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征还在于，使钻井流体在所述钻柱26内流动，并且在形成所述井筒22的步骤期间从所述钻头40排出所述钻井流体。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，将所述井筒22增压的步骤包括将钻井流体引入所述密封空间64。

10.一种压裂地下地层24的方法，包括：

a)用钻柱26在所述地层24中钻取井筒22，所述钻柱26包括附接到钻管30的钻头40；

其特征在于，

b)横跨所述钻柱26与所述井筒22的壁之间的环形空间形成密封结构，从而形成了密封空间64，所述密封空间64具有在所述密封结构处的上端以及在所述井筒22的底端59处的下端；以及

c)在压力下将流体引入所述密封空间64，所述压力向所述地层24施加的力超过所述地层24中的抗张应力且压裂所述地层24。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述密封结构包括封隔器62，通过使增压流体从所述钻柱26的环隙流到所述封隔器62来启动所述封隔器62。

12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，通过将所述钻头40上的滑动刮板58移动到由所述钻头40上的切削刮板42限定的通道56中，所述密封结构形成在所述钻头40上，所述滑动刮板58的横向侧部密封地接合所述切削刮板42的横向侧部。

13.如权利要求12所述的方法，其特征还在于，在所述钻头40上方部署辅助密封结构。

14.如权利要求10-13中任一项所述的方法，其特征还在于，在步骤(a)和(b)之间，使所述钻头40从所述井筒22的底部向上移动。

15.如权利要求10-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体包括钻井流体。