CN104204397A - 在钻井的同时进行压裂的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在单次行程中钻取和压裂井筒22的系统20，包括钻柱26、钻头40及用于通过钻柱和钻头40输送流体的流体流动装置。钻头40包括具有切削刮板42的主体及在切削导管42之间用于冲走钻井产生的钻屑的喷嘴46。钻头40上的封隔器62与井筒22的内表面选择性地密封以形成空间64。在井筒22中的指定点处部署封隔器62以在井筒22中限定压裂区域Z。在打开主体上的侧部口的同时闭合喷嘴46，将压裂流体输送到空间64中。可包括增压系统20，用于对流体增压以使空间64中的压力克服地层强度并且压裂与封闭空间64邻近的地层。可解除封隔器62，继续钻井并且能够在井筒22中的不同深度处进行压裂。

Description

在钻井的同时进行压裂的系统和方法

发明人：Shaohua Zhou(S·周)

受让人：Saudi Arabian Oil Company(沙特阿拉伯石油公司)

技术领域

本发明涉及用于从井筒中生产流体的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于在地层中钻井筒的同时压裂地下地层的系统和方法。

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从地层中挖掘材料，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

本文描述了一种用于地下井筒的系统。在实例中，系统包括位于钻柱的端部上的钻头，其中钻头与增压流体选择性地流体连通。还包括位于钻柱上的封隔器，封隔器选择性地密封井筒的内表面。密封封隔器限定了位于井筒的下部中的封闭空间。位于钻头上的压裂口选择性地打开和闭合，并且与增压流体源连通。在可选方案中，系统还可以包括位于钻头上的钻井流体出口喷嘴，钻井流体出口喷嘴选择性地打开和闭合。在该实例中，增压流体源是第一增压流体源，并且钻井流体出口喷嘴与第二增压流体源连通。此外，来自第二增压流体源的增压流体是钻井流体。在一个实例中，当钻柱正在旋转而钻取井筒时，出口喷嘴打开，以使流体从出口喷嘴流入井筒，并且当压裂口打开且部署封隔器时，来自第二增压流体源的增压流体从钻头流入所述空间中以在地层的位于井筒外围的部分中形成裂缝。系统还可以包括压力增强器，压力增强器具有与增压流体源连通的入口以及与钻头连通的出口，使得当压力增强器正在工作且接收来自增压流体源的流体时，压力增强器增加流体的压力。封隔器能够安装到套环上，套环附接到钻头的与钻柱邻近的部分上。在一个可选方案中，系统还可以包括：位于钻头的外表面上的细长的切削刮板以及限定在切削刮板之间的通道，其中，钻井流体出口喷嘴布置在通道中。在一个实例中，增压流体源设置在井筒的外部。

本文还披露了一种用于地下井筒中的操作的系统，其中所述系统可以包括从管状柱悬挂下来的钻头，管状柱限定了钻柱。该实例还包括：密封件，密封件从钻柱沿径向向外选择性地扩张而与井筒的内表面密封接合；以及位于钻头上的钻井喷嘴，其与增压钻井流体源选择性地连通；以及位于钻头上的压裂口，其与增压压裂流体源选择性地连通。密封件可以是与管状柱邻近地安装到钻头上的封隔器。在一个实例中，压裂口设置在密封件和钻井喷嘴之间。在示例性实施例中，当压裂口打开时，钻井喷嘴闭合，而当压裂口闭合时，钻井喷嘴打开。系统可以任选地还包括增强器，增强器位于钻柱中，用于接收来自增压流体源的流体，进一步对流体增压，并且将进一步增压的流体引入钻头。

本公开还包括用于形成和压裂地下井筒的系统，其由如下部件构成：钻头，其从限定钻柱的具有一定长度的钻管悬挂下来；密封件，其从钻柱沿径向向外选择性地扩张而与井筒的内表面密封接合；位于钻头上的钻井喷嘴，其与增压钻井流体源选择性地连通，当钻头钻取井筒时，钻井喷嘴处于打开位置；以及位于钻头上的压裂口，其与增压压裂流体源选择性连通，当钻头钻取井筒时，所述压裂口处于闭合位置，而当钻头旋转停止时，所述压裂口选择性地打开，使得增压压裂流体能够从钻头内部流入井筒且压裂井筒。在该实例中，密封件位于钻头上且在井筒中邻近钻头之处限定离散的密封空间，当经受增压压裂流体时，离散的密封空间会在地层中的离散区域内的位置处被压裂。

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2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是根据本发明的处于密封构造的图2的钻头的实例的侧视图。

图5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6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提供了钻井系统20的示例性实施例。在图1的实例中，钻井系统20显示为贯穿地层24形成井筒22。图示的钻井系统20由细长的钻柱26构成，钻柱接收来自图示驱动系统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的实例包括顶部驱动器或旋转台。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(swivelmaster)32示意性地图示在钻管30的下端；钻柱旋转头32的下端显示为连接到定向钻井组件34的上端。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接收增压流体并且在较大压力下排出流体。

钻头组件38显示为安装到增强器36的下端。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。在钻井系统20中可以包括用于增压的泵(未显示)。

图2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。在一个示例性实施例中，喷嘴46打开，并且从存储罐48流入线路50中的流体经过钻柱26从钻头主体54离开喷嘴46；在该实例中，压裂喷嘴52处于闭合位置，以使得没有流体从压裂喷嘴52流过钻头主体54。相反，存在另一实例，其中压裂喷嘴52打开；在该实例中，从存储罐48流入线路50中且经过钻柱26的流体从压裂喷嘴52离开，与此同时，喷嘴46处于闭合位置且没有流体通过喷嘴46离开。

在图2中进一步图示了相邻切削刮板42之间的空间，该空间限定了沿着钻头主体54的外表面延伸的通道56。进一步在图2的实例中，切削刮板42和通道56均与钻头40的轴线A_X基本平行地延伸。在主体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，随着滑动刮板58滑入通道56中，滑动刮板58的相应的横向侧部密封地接合切削刮板42的相对的横向侧部。

现在参考图3，示出了钻井系统20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。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。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。在实例中，在形成密封空间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中的抗张应力的应力。

现在参考图4，示出了钻头40的实例，其中滑动刮板58已经向下移动进入通道56中，从而进一步将钻头40周围的空间与井筒22中的位于钻头40之上的区域(图3)隔离。显示出在主体54中设有槽66，滑动刮板58上的延伸件或附接件可以贯通槽66延伸，使得可以从钻头40内操纵滑动刮板58的位置。滑动刮板58的优点在于，能够在空间64(图3)中实现额外密封手段。在图3的实例中，空间64因此在套环60和封隔器62下方延伸且延伸进钻头主体54与井筒22的内表面之间的空间。因此，通道56占据了密封空间64的一部分。还存在这样的实例：密封空间利用封隔器62形成或者通过将滑动刮板58与切削刮板42接合而形成。在一个可选方案中，通过将封隔器62部署在由滑动刮板58和切削刮板42所形成的密封件上方的位置处形成辅助密封件。

在图5的实例中，裂缝68显示为在由于密封空间64增压而使得裂缝68在井筒壁处开始产生之后延伸到地层24中以及区域Z中。在图5的实例中，图示出流体70在空间64中并且通往裂缝68。在一个实例操作中，流体70可以是钻井流体，但是也可以是专用压裂流体。在可选实施例中，流体70保持在独立于存储罐48的罐72中且经由线路74输送到钻柱26。在该实例中，罐72中的流体可以是钻井流体或压裂流体。在一个实例中，流体70是固态无酸盐水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贴到井筒22的壁。

任选地，如图6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6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6的实例中示出了封隔器62(图5)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。例如，可以包括将隔离装置锁定在适当位置处的锁定机构。而且，可以任选地包括剪切销以允许隔离装置在受到拉动时松开。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 (18)

1.一种用于地下井筒22的系统20，包括：

钻头40，其位于钻柱26的端部上且与增压流体选择性地流体连通；

其特征在于，

密封件，其选择性地从所述钻柱26部署成与所述井筒22的内表面密封接合，从而在所述井筒22的下部中限定封闭空间64；以及

压裂口52，其位于所述钻头40上，选择性地打开和闭合，并且与增压流体源连通。

2.如权利要求1所述的系统20，其特征还在于，位于所述钻头40上的钻井流体出口喷嘴46，钻井流体出口喷嘴46选择性地打开和闭合，所述增压流体源包括第一增压流体源，所述钻井流体出口喷嘴46与第二增压流体源连通，并且来自所述第二增压流体源的增压流体包括钻井流体。

3.如权利要求2所述的系统20，其特征在于，当所述钻柱26正旋转而钻取所述井筒22时，所述出口喷嘴46打开以使流体从所述出口喷嘴46流入所述井筒22，并且当所述压裂口52打开且所述密封件被部署时，来自所述第二增压流体源的增压流体从所述钻头40流入所述空间中以在地层24的位于所述井筒22外围的部分中形成裂缝68。

4.如权利要求1-3中任一项所述的系统20，其特征还在于，压力增强器36，所述压力增强器36具有与所述增压流体源连通的入口以及与所述钻头40连通的出口，使得当所述压力增强器36正在工作且接收来自所述增压流体源的流体时，所述压力增强器36增加所述流体的压力。

5.如权利要求1-4中任一项所述的系统20，其特征在于，所述密封件包括安装到套环60上的封隔器62，所述套环60附接到所述钻头40的与所述钻柱26邻近的部分。

6.如权利要求1-5中任一项所述的系统20，其特征在于，所述密封件包括：细长的切削刮板42，其位于所述钻头40的外表面上；以及滑动刮板58，其移入在所述切削刮板42之间限定的通道56中并且与所述切削刮板42的横向侧部密封地接合。

7.如权利要求1-6中任一项所述的系统20，其特征在于，所述增压流体源设置在所述井筒22的外部。

8.一种用于地下井筒22中的操作的系统20，包括：

钻头40，其从限定钻柱26的管状柱悬挂下来；

其特征在于，

密封件，其选择性地从所述钻柱26沿径向向外扩张而与所述井筒22的内表面密封接合；

钻井喷嘴，其位于所述钻头上并与增压钻井流体源选择性地连通；以及

压裂口52，其位于所述钻头40上并与增压压裂流体源选择性地连通。

9.如权利要求8所述的系统20，其中所述密封件包括封隔器62，所述封隔器62与所述管状柱26邻近地安装到所述钻头40上。

10.如权利要求8或9所述的系统20，其中所述压裂口52设置在所述密封件与所述钻井喷嘴46之间。

11.如权利要求8-10中任一项所述的系统20，其特征在于，当所述压裂口52打开时，所述钻井喷嘴46闭合，而当所述压裂口52闭合时，所述钻井喷嘴46打开。

12.如权利要求8-11中任一项所述的系统20，其特征还在于，位于所述钻柱26中的增强器36，所述增强器36用于接收来自增压流体源的流体，进一步对所述流体增压，并且将进一步增压的流体引入所述钻头40中。

13.如权利要求8-12中任一项所述的系统20，其特征在于，所述密封件包括：细长的切削刮板42，其位于所述钻头40的外表面上；以及滑动刮板58，其移入在所述切削刮板42之间限定的通道56中并且与所述切削刮板42的横向侧部密封地接合。

14.一种用于形成且压裂地下井筒22的系统20，包括：

钻头40，其从限定钻柱26的具有一定长度的钻管悬挂下来；

其特征在于，

密封件，其从所述钻柱26沿径向向外延伸而与所述井筒22的内表面密封接合；

钻井喷嘴46，其位于所述钻头40上并与增压钻井流体源选择性地连通，当所述钻头40正钻取井筒22时，所述钻井喷嘴46处于打开位置；以及

压裂口52，其位于所述钻头40上并与增压压裂流体源选择性地连通，当所述钻头40正钻取所述井筒22时，所述压裂口52处于闭合位置，而当所述钻头40旋转停止时，所述压裂口52选择性地打开，使得增压压裂流体能够从所述钻头40的内部流入所述井筒22并且压裂所述井筒22。

15.如权利要求14所述的系统20，其特征在于，所述密封件在所述井筒22中的邻近所述钻头40之处限定了离散的密封空间64，当经受所述增压压裂流体时所述离散的密封空间64能在地层24中的离散区域Z内的位置处被压裂。

16.如权利要求14或15所述的系统20，其特征在于，当所述压裂口52打开时，所述钻井喷嘴46闭合，而当所述压裂口52闭合时，所述钻井喷嘴46打开。

17.如权利要求14-16中任一项所述的系统20，其特征还在于，位于所述钻柱26中的增强器36，所述增强器36用于接收来自增压流体源的流体，进一步对所述流体增压，并且将进一步增压的流体引入所述钻头40。

18.如权利要求14-17中任一项所述的系统20，其特征在于，所述密封件包括：细长的切削刮板42，其位于所述钻头40的外表面上；以及滑动刮板58，其移入在所述切削刮板42之间限定的通道56中并且与所述切削刮板42的横向侧部密封地接合。