CN104453822A - 对其中具有井筒的地下岩层分阶段激励的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于对地下岩层进行激励的方法。所述方法包括确定最终裂缝间距。所述方法包括以第一裂缝间距产生第一组裂缝，所述第一裂缝间距大于最终裂缝间距。所述方法包括允许通过第一组裂缝经井筒从岩层开采流体达一段时间。所述方法包括，在所述一段时间之后，形成第二组裂缝。所述最终裂缝间距小于或等于第一组裂缝和第二组裂缝之间的平均裂缝间距。

Description

对其中具有井筒的地下岩层分阶段激励的方法

相关申请的交叉参照

本申请要求2013年9月19日提交的美国临时申请No.61/879,886的权益，该申请通过参考的方式而被结合在本申请中。

技术领域

本申请总体上涉及地下岩层的激励措施，更具体地说，本申请涉及分阶段激励的方法。

背景技术

在孔隙度非常低直至没有孔隙度的地下岩层(例如页岩、致密的砂岩等)中可能会发现油气(例如石油、天然气等)层。油气可能被限制在岩层的裂缝或孔空间中。此外，油气可能吸附在页岩层的有机材料上。从这些非常规油气层提取油气的技术的快速发展会受到水平钻井技术和水力压裂技术的组合的限制。水平钻井技术已经允许在油气层中并沿着油气层钻探来更好地获取滞限在其中的油气。此外，通过压裂或其他激励措施增加岩层中裂缝的数量和/或扩大已有的裂缝的尺寸可以获取更多的油气。

裂缝之间的间距以及使天然存在于岩石中的裂缝增产的能力可能是非常规油气层中水平完井成功的主要因素。斜井或水平钻井中裂缝的有效布置是富有挑战性的。这种挑战在低渗透性的岩层中十分突出。随着渗透性降低，通常需要更小的间距来有效地从岩层中提取油气。然而，随着裂缝之间的间距减小，与用来产生一个裂缝而使液体进入岩层的注射关联的应力被认为会在岩层中产生对下一个裂缝的布置有负面影响的“阴影”应力。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种对地下岩层进行激励的方法。所述方法包括限定最终裂缝间距。所述方法包括以第一裂缝间距产生第一组裂缝，所述第一裂缝间距大于所述最终裂缝间距。所述方法包括允许通过第一组裂缝经井筒从岩层开采流体达一段时间。所述方法包括，在所述一段时间之后，产生第二组裂缝。所述最终裂缝间距小于或等于第一组裂缝和第二组裂缝之间的平均裂缝间距。

在一个实施例中，提供了一种对地下岩层中某一区域的分阶段激励的方法。所述方法包括通过起始于井筒并具有第一裂缝间距的第一组裂缝对所述区域进行激励。所述方法包括允许通过所述第一组裂缝从所述区域进行初级开采。所述方法包括在初级开采达到预定临界值之前在第一组裂缝和井筒之间设置隔离。所述方法包括通过起始于井筒的第二组裂缝进一步对所述区域进行激励，其中，所述第二组裂缝中的至少一个裂缝位于所述第一组裂缝中相邻的裂缝之间。所述方法包括允许通过第二组裂缝从所述区域进行开采。所述方法包括将第一组裂缝和井筒之间的隔离移除，由此允许通过第一组裂缝从所述区域进行第二级开采。

附图说明

图1是根据传统裂缝布置说明来自一个裂缝的应力对下一个裂缝的影响的水压压力裂缝示例的半长度俯视图。

图2是根据本公开的一具体实施例的在布置裂缝之前的包括钻井的岩层的侧视图。

图3是根据本公开的一具体实施例的在已经布置了第一组裂缝之后的图2中的岩层的侧视图。

图4是根据本公开的一具体实施例的在已经布置了第二组裂缝之后的图2和图3中的岩层的侧视图。

图5是根据本公开的一具体实施例的在已经布置了第三组裂缝之后的图2至图4中的岩层的侧视图。

图6根据本公开的某一具体实施例的在已经移除了隔离之后且第一组裂缝、第二组裂缝、第三组裂缝正在开采流体的图2至图5中的岩层的侧视图。

具体实施方式

现在参考附图，图1显示来自第一(最右边的)裂缝的应力的影响是如何被认为会抑制第二(右边第二个)裂缝的形成。基于第二裂缝的尺寸和布置，第三(从右边起第三个)裂缝可能受第一裂缝和第二裂缝之一或二者的应力的影响。而且，裂缝可能跨越区域受到负面影响，甚至超越具体的区段(例如最左边的四个裂缝可能影响下一区段的四个裂缝，且这些裂缝可能影响再下一区段的四个裂缝)。因此，传统的方法已是提供较理想裂缝间距更大的裂缝间距，以便防止其他裂缝的干预，或提供理想的间距并接受该干预的影响。在U.S.2012/0325462中描述了这些方法的一个可替代方法，该方法中裂缝以交替的顺序排列而不是上文提到的从右至左的顺序排列。尽管U.S.2012/0325462宣称通过消除应力的方向性影响来提供了改进，但应力的大小依然是问题，且不同于本公开内容，U.S.2012/0325462没有考虑将岩层流体的开采作为缓解应力的方式。此外，U.S.2012/0325462的裂缝间距在150英尺到250英尺的范围内，而本公开内容将允间距远小于100英尺。最后，U.S.2012/0325462布置了复杂的裂缝，根据下文描述的实施例内容可知这些复杂的裂缝不是必需的。特别地，在U.S.2012/0325462中，裂缝之间的间距必需足够大以提供能够形成复杂裂缝的无应力区域。下文描述的实施例，在另一方面，不要求如此大的间距或复杂的裂缝。

一种对具有井筒12的地下岩层10进行激励的方法包括：(1)确定一临界应力值表示应力阴影的存在(例如通过基于岩层特征的信息组或其他估算方式来确定)；(2)获取岩层应力值(例如通过就地进行测量、通过信息组估算、通过计算或其他方式来获取)；(3)当应力阴影存在时(也就是当测量的应力值超出临界应力值时)，允许从地下岩层10进行开采；以及(4)当应力阴影已经消除时(也就是测量的应力值降到临界应力值以下时)停止开采。

图2至6显示一种对在其中具有井筒12的地下岩层10进行激励的方法。井筒12提供用于使来自区域14的流体(例如油气)移至地表16的通道。起始于井筒12的外表面的裂缝21至29提供区域14和井筒12之间的流体联通，允许来自区域14的流体排出地下岩层10，移动进入井筒12并向上移至地表16。如图所示，所述方法描述了一种水平井筒或斜井筒12。然而，所述方法可以同样地应用在竖直井筒中。

图2至图6的方法的第一步骤包括确定最终裂缝间距18。在图2中，最终裂缝间距18表示在已经布置了所有的裂缝后(见图6)两个相邻的裂缝(尚未出现在图2的显示中)之间理想的间距。考虑岩层的孔隙度、油气饱和度、渗透性以及涉及完井和开采的成本，该理想的间距可以以最小的经济开采速度为依据计算出或以其他方式确定。最终裂缝间距18可以是经济性最优的裂缝间距，且确定最终裂缝间距18的步骤可以包括确定经济性最优的裂缝间距。这样的确定可涉及计算净折现值且考虑多种因素，所述多种因素包括但不局限于当前的油气价格、操作成本以及设备能力。在某些实例中，最终裂缝间距18可以沿井筒12的长度变化，或甚至在关注的区域14内变化。然而，基于对简单性的考虑，最终裂缝间距18显示为具有一致的尺寸。在某些实施例中，最终裂缝间距可以在500英尺以下、在300英尺以下、在200英尺以下、在180英尺以下、在170英尺以下、在160英尺以下、在150英尺以下、在140英尺以下、在130英尺以下、在120英尺以下、在110英尺以下、在100英尺以下、在90英尺以下、在80英尺以下、在70英尺以下、在60英尺以下、在50英尺以下、在40英尺以下、在30英尺以下或者甚至在20英尺以下。

现在参考图3，以第一裂缝间距30产生了第一组裂缝21、22、23。第一裂缝间距30大于最终裂缝间距18。在该显示内容中，第一裂缝间距30接近最终裂缝间距18的四倍大。在有两组裂缝的实施例中，第一裂缝间距30可以是最终裂缝间距18的大致两倍。在有三组以上裂缝的实施例中，第一裂缝间距30可以是最终裂缝间距18的四倍以上。在产生了第一组裂缝21、22、23之后，通过第一组裂缝21、22、23经井筒12从岩层10开采油气或其他流体32达一段时间。所述一段时间基于如下方式确定，即所述一段时间可以提供充足的时间来释放由第一组裂缝21、22、23产生的应力。

流体32的开采被认为缓解井筒内的压力从而随着时间的推移缓解岩石内的应力。通过允许流体32离开岩层10，由产生裂缝导致的应力可以在这样的裂缝周围区域内缓解。与所形成的不允许这样的应力缓解的裂缝相比，这种应力的减小可以允许在已存在的裂缝之间产生质量更高的裂缝。因此，流体32的开采可以进行直到达到一预定的临界值。在一个示例中，所述预定的临界值可以是从岩层10进行开采的的时间。尽管允许经过很长的时间可以提供更大程度的应力缓解，但用于形成第一组裂缝21、22、23和形成第二组裂缝24、25之间的开采时间段可能相对短暂。这样的时间段可能会在1年以下、从6个月到1年、从1个月到6个月、从1周到1个月或者从1小时到1周。在某些实例中，所述时间段可能是几天，或甚至是几个小时以内。一种替代的预定的临界值可以是自岩层10的最大计划开采量的百分比。尽管自岩层10的最大计划开采量的较大百分比可以提供更多的应力缓解，形成第一组裂缝21、22、23和形成第二组裂缝24、25之间的开采量可能相对少。这样的开采量可能在最大计划开采量的50％以下、最大计划开采量的25％以下、最大计划开采量的5％以下或者最大计划开采量的1％以下。在一些实例中，所述开采量可能占最大计划开采量的千分之一或甚至是最大计划开采量的万分之几。可以在描述的实施例中应用其他可替代的时间量和开采量，只要这些方法能够产生如下反馈即可，即是否通过开采对由特定组的裂缝所导致的应力已进行了足够的缓解。

一旦由第一组裂缝21、22、23产生的应力已经缓解，通过第一组裂缝21、22、23从岩层10对流体32的开采可以通过填塞裂缝21、22、23来停止，或通过其他方式通过在第一组裂缝21、22、23和井筒12之间设置隔离来停止。这样的隔离可以通过许多方法中的任意方法设置。例如，如图4所示，管道38可以在对井筒12加衬的套管40内延伸。管道38可以具有用于隔离的外部封隔器42。可替代的隔离方式包括采用外部套管封隔器、开采衬管、可膨胀件、借助于套筒的连续油管(所述套筒通过落球打开和关闭)、液压隔离，或采用化学隔离，或采用用于隔离裂缝的多种方法中任意的方法。

现在参考附图4，一旦由第一组裂缝21、22、23产生的应力已经通过流体32的开采释放，便产生第二组裂缝24、25。岩层10中流体32的减少将允许在第一组裂缝21、22、23之间(例如在第一组裂缝21、22、23中间)布置第二组裂缝24、25而没有显著的阻力。在第一组裂缝21、22、23和第二组裂缝24、25之间的平均裂缝间距34等于最终裂缝间距18或大于最终裂缝间距18。换句话说，最终裂缝间距18小于或等于在包括第一组裂缝21、22、23和第二组裂缝24、25的成组裂缝中的相邻裂缝之间的平均裂缝间距34。

如图4所示，平均裂缝间距34是最终裂缝间距18的大致两倍。然而，在一些实施例中，两组裂缝可以是足够的。在一些实施例中，平均裂缝间距34可以等于最终裂缝间距18。因此，当应用了两组裂缝或足够的裂缝时，第一裂缝间距30可以是最终裂缝间距18的两倍，而在应用了两组以上的裂缝的实施例中，第一裂缝间距30将是最终裂缝间距的两倍以上。如果两组裂缝是充足的，可以移除第一组裂缝21、22、23的隔离，且岩层流体32的开采可以通过第一组裂缝21、22、23和第二组裂缝24、25两者进行。如果期望另外的裂缝，可以保存第一组裂缝21、22、23的隔离。在形成了第二组裂缝24、25之后，通过第二组裂缝24、25经井筒12开采来自岩层10的油气或其他流体32达第二段时间。

所述第二段时间可以依据如下内容确定，即该第二段时间提供了充足的时间来缓解由第二组裂缝24、25产生的应力。这样的一段时间可以在1年以下。例如，第二段时间可以是1个月和6个月之间的任何段。在一些实例中，第二段时间可以是几天时间，或甚至是几小时。一旦由第二组裂缝24、25产生的应力已经缓解，通过第二组裂缝24、25从岩层10对流体32的开采可以通过填塞裂缝24、25停止或通过在第二组裂缝24、25和井筒12之间设置隔离来停止。

现在参考图5，一旦由第二组裂缝24、25产生的应力已经通过流体32的开采释放，便产生第三组裂缝26、27、28、29。在第一组裂缝21、22、23、第二组裂缝24、25和第三组裂缝26、27、28、29之间的平均裂缝间距36等于或大于最终裂缝间距18。换句话说，最终裂缝间距18小于或等于在包括第一组裂缝21、22、23、第二组裂缝24、25和第三组裂缝26、27、28、29的成组裂缝中相邻的裂缝之间的平均裂缝间距36。

如图5所示，平均裂缝间距36大致等于最终裂缝间距18。然而，如果该过程在另外的循环中重复进行，最终裂缝间距18可以小于平均裂缝间距36。一旦完成所有的循环，可以移除所有的隔离(例如管道38和外部封隔器42)以允许通过所有的裂缝21-29对流体32开采，如图6所示。

对地下岩层10中区域14进行分阶段激励的方法还可以借助图2至图6进行描述。首先，通过起始于井筒12并具有第一裂缝间距30的第一组裂缝21、22、23对区域14进行激励。这样的激励措施可以采用水力压裂、酸压裂、基岩激励等形式。接下来，允许通过第一组裂缝21、22、23从区域4对流体32初级开采直到达到一个预定的临界值。所述预定的临界值可以是指示已达到的应力缓解的水平的值。如上文所述，预定的临界值可以是从所述区域开采的时间，或者预定的临界值可以是自所述区域的最大计划开采量的百分比。此外，其他措施可以提供已经发生理想的应力缓解的指示。例如，预定的临界值可以使用压力水平、温度、开采的流体体积、回流流体体积等形式的反馈来指示已经发生合适的应力降低。随后，在第一组裂缝和井筒12之间设置隔离。通过起始于井筒12的第二组裂缝24、25对区域14进一步激励。第二组裂缝24、25中的至少一个裂缝位于第一组裂缝21、22、23中相邻的裂缝之间。如图所示，第二组裂缝中的裂缝24位于第一组裂缝中相邻的裂缝21和22之间，且第二组裂缝中的裂缝25位于第一组裂缝中相邻的裂缝22和23之间。接下来，通过第二组裂缝24、25从区域14开采流体32。随后，移除在第一组裂缝21、22、23和井筒12之间的隔离，允许通过第一组裂缝21、22、23从区域14进行第二级开采。

通过第一组裂缝21、22、23从区域4进行的初级开采量少于通过第一组裂缝21、22、23和第二组裂缝24、25两者从区域14进行的开采量。类似地，如果设置了第三组裂缝26至29，组合第一组裂缝、第二组裂缝和第三组裂缝的开采量多于源自第一组裂缝和第二组裂缝的开采量。因此，从区域14的初级开采量少于从区域14的最大开采量。此外，从区域14的初级开采量小于从所述区域的最大经济开采量。自区域14的该最大经济开采量可能少于从区域14可获得的最大开采量，但当包括考虑成本时，自区域14的最大经济开采量可能表示最能获利的开采的量。总体而言，自区域14的初级开采量将少于最大经济开采量。然而，与区域14的更高质量的连通提供的利润超过了在初级开采中由最大经济开采所带来的损失，与区域14的更高质量的连通通过第二组裂缝24、25、可选的第三组裂缝26至29以及通过重复所述过程提供的任何另外的循环所形成。

类似地，本文描述了该过程后，可以在第二级操作或补充操作中对任何所述裂缝进行再激励处理。在这样的过程中，可以形成、激励一组裂缝，且可以在这组裂缝被隔离之前而另一组裂缝正在被激励时进行开采。从而，两组裂缝可以在对两组裂缝之一或二者进行再激励之前进行一些时间的开采，且两组裂缝可以再开采一次。此外，与上文相似的方法可以用于包括其他岩层处理的操作。例如，基岩激励措施可以从例如本文描述的方法中获益。

本领域技术人员将要理解的是，在不脱离本发明公开的范围的情况下，可对所公开的实施例、构造、材料和方法进行多种改进和变形。因此，权利要求的以及权利要求的功能等效的方案的范围不应该局限于描述和显示的具体的实施例，因为它们本质上只是示例，且分离描述的元件可以选择性地组合。

Claims (23)

1.对在其中具有井筒的地下岩层进行激励的方法，所述方法包括：

确定最终裂缝间距；

以第一裂缝间距形成第一组裂缝，所述第一裂缝间距大于所述最终裂缝间距；

允许通过第一组裂缝经所述井筒从所述岩层对流体开采达一段时间；

在所述一段时间之后，形成第二组裂缝；

其中，所述最终裂缝间距小于或等于在所述第一组裂缝和所述第二组裂缝之间的平均裂缝间距。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一裂缝间距是所述最终裂缝间距的至少两倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最终裂缝间距包括经济性优化的裂缝间距，其中，确定所述最终裂缝间距的步骤包括确定所述经济性优化的裂缝间距。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一段时间包括缓解由所述第一组裂缝产生的应力所需的充足的时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一段时间包括1年以下的时间。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一段时间包括1个月到6个月。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一段时间包括1周到1个月。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一段时间包括1小时到1周。

9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在产生所述第二组裂缝之前停止从第一组裂缝开采流体。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

允许通过所述第二组裂缝经所述井筒从所述岩层开采流体达第二段时间；

在所述第二段时间之后，产生第三组裂缝；

其中，所述最终裂缝间距小于或等于在所述第一组裂缝、所述第二组裂缝和所述第三组裂缝之间的平均裂缝间距。

11.对地下岩层中的区域进行分阶段激励的方法，所述方法包括：

通过起始于井筒并具有第一裂缝间距的第一组裂缝对所述区域进行激励；

允许通过所述第一组裂缝从所述区域进行初级开采；

在所述初级开采到达预定的临界值之前在所述第一组裂缝和所述井筒之间设置隔离；

通过起始于所述井筒的第二组裂缝对所述区域进行进一步激励，其中，所述第二组裂缝中的至少一个裂缝位于所述第一组裂缝中相邻的裂缝之间；

允许通过所述第二组裂缝从所述区域进行开采；且

移除在所述第一组裂缝和所述井筒之间的隔离，由此允许通过所述第一组裂缝从所述区域进行第二级开采。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定的临界值包括自所述区域的最大计划开采量的百分比。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述百分比在50％以下。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述百分比在25％以下。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述百分比在5％以下。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定临界值包括从所述区域进行开采的时间。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述开采的时间在1年以下。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一组裂缝和所述第二组裂缝具有平均裂缝间距，其中，所述第一裂缝间距是所述平均裂缝间距的至少两倍。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一裂缝间距是最终裂缝间距的至少四倍。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，设置隔离的步骤包括将具有外部封隔器的管道下入所述井筒中。

21.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括对所述第一组裂缝进行再激励。

22.一种方法，包括：

(a)确定指示应力阴影存在的临界应力值；

(b)获得岩层应力值；

(c)当所述岩层应力值超出所述临界应力值时允许进行开采；

(d)当所述岩层应力值跌至所述临界应力值以下时停止开采。

23.根据权利要求22所述的方法还包括：

在步骤(c)之前，通过起始于井筒的第一组裂缝对地下岩层中的区域进行激励；

在所述开采达到所述临界应力值之前在所述第一组裂缝和所述井筒之间设置隔离；

通过起始于所述井筒的第二组裂缝对所述区域进行进一步激励，其中，所述第二组裂缝中的至少一个裂缝位于所述第一组裂缝中相邻的裂缝之间；

允许通过所述第二组裂缝从所述区域进行开采；且

移除所述第一组裂缝和所述井筒之间的隔离，由此允许通过第一组裂缝从所述区域进行第二级开采。