CN107801408B - 可实时导向的酸法穿隧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于从中心井筒形成侧向隧道的酸法穿隧系统。所述酸法穿隧系统包括酸法穿隧工具，所述穿隧工具具有注酸喷嘴，所述注酸喷嘴响应于被实时地检测到并发送到地面的井下参数被导向和定向。

Description

可实时导向的酸法穿隧系统
发明背景
1.发明领域
本发明大体上涉及用于形成可导向侧向地下隧道和用于在地面上实时地对隧道形成进行监测的系统和方法。
2.相关技术描述
侧钻操作形成从中心井筒向外延伸的侧向隧道，中心井筒典型地是基本上垂直地定向的，但是也可以是水平地定向的或倾斜的。可以使用许多工具和技术来形成侧向隧道。这些工具和技术中包括的是将酸注入井筒和周围地层中以便溶解岩石的装置。此类型的装置例如用于可从Baker Hughes Incorporated of Houston,Texas商购的StimTunnelTM定向酸放置服务。这些酸化增产装置典型地使用井底组件，井底组件具有可枢转的杆棒，可枢转的杆棒具有喷嘴，酸在高压下通过喷嘴而分配。酸有助于溶解在喷嘴周围的部分地层。杆棒典型地设有一个或多个万向接头，其有助于使喷嘴在所要方向上成角度。此类型的工具的特征在Misselbrook等人的美国专利公布第2008/0271925号(“酸法穿隧井底组件(AcidTunneling Bottom Hole Assembly)”)[‘925参考文献]中进行讨论。‘925参考文献以引用的方式并入本文。
发明概要
本发明涉及了用于使用注酸从地下井筒形成侧向隧道的装置和技术。相较常规系统可能情况来说，本发明的装置和方法允许对所形成的侧向隧道的方向和长度更好的控制。本发明的装置和方法允许在沿着井筒的单个深度或位置处形成在不同方向上从中心、基本上垂直的井筒辐射出去的多个侧向隧道。本发明的装置和方法允许在地面上实时地对与侧向隧道形成有关的细节进行监测。
根据特定实施方案，一种酸法穿隧系统包括分配酸的井底组件，所述分配酸的井底组件被紧固到下井布置以便下放到井筒中。井底组件包括穿隧工具，所述穿隧工具具有杆棒，所述杆棒具有用于在所要位置处注酸以形成侧向隧道的喷嘴。
在优选实施方案中，井底组件设有一个或多个井下参数传感器。传感器能够检测井下参数，包括压力和温度。在某些实施方案中，传感器能够检测流体流量参数，诸如密度和粘度。在所述实施方案中，传感器保留在传感器模块内，所述传感器模块结合到井底组件中。
根据特定实施方案，数据/电力线缆用户将电力提供到井下部件以及实时数据传输系统。由传感器检测的井下参数通过线缆向井上发送到控制器。根据优选实施方案，数据/电力线缆安置在下井管柱的中心流孔内，并且可以包括管丝型线缆。
在所述实施方案中，酸法穿隧系统结合可有用于确定井底组件在套管井筒内的位置的套管接箍定位器(“CCL”)。当酸法穿隧系统下放到井筒中时，套管接箍定位器提供对井底组件在井筒内的深度或位置的指示，所述井筒具有衬有具有接箍连接的套管的部分。套管接箍定位器数据使用数据/电力线缆被传输到在地面上的控制器。
在特定实施方案中，酸法穿隧系统包括测斜仪，测斜仪可以确定在井筒内的任何给定的点处与井底组件的垂直方向的成角度的偏离。这个数据被传输到在地面上的控制器。与来自套管接箍定位器(如果使用的话)的数据一起，测斜仪可用于将井底组件定位在井筒中的特定所要位置处。
根据具体实施方案，转位工具结合到井底组件中，并且可有用于使井底组件的穿隧工具部分在井筒内旋转。优选地，转位工具可以使穿隧工具在任一径向方向上旋转达180度，从而允许穿隧工具在从中心井筒向外的任何径向方向上形成侧向隧道。
在某些实施方案中，脉冲工具(诸如较低频率EasyReach延伸到达工具)连接在井底组件的穿隧工具和上部部分之间。脉冲工具形成传输到穿隧工具的压力波，并且响应于每个脉冲使穿隧工具的杆棒和喷嘴径向向外挠曲，从而允许向周围地层分配酸。
根据特定实施方案，脉冲工具被设计为提供具有预设压力分布的压力波来以规定的方式使穿隧工具弯曲，从而形成扩大直径侧向隧道。脉冲工具被设计为提供压力脉冲或波，压力脉冲或波将以周期性的方式激起穿隧工具的挠曲或弯曲。在特定实施方案中，当施加脉冲(压力波增加)时，穿隧工具发生径向挠曲，并且当停止脉冲(压力波减少)时，工具就不挠曲。这种挠曲和不挠曲将替代地使穿隧工具弯曲和拉直，使得形成更宽隧道。本发明人已经确定，形成更宽隧道将有利地减少井底组件与地层岩石之间的摩擦。
在操作中，本发明的酸法穿隧系统可操作以形成从中心井筒向外延伸的侧向隧道，酸法穿隧系统下放到中心井筒中。根据示例性操作方法，酸法穿隧系统下放到井筒中、直至地层，期望侧向隧道形成到地层中。使用来自套管接箍定位器、测斜仪、传感器和/或通过本领域已知的其它手段的数据确定在井筒内的井底组件的大致位置。酸通过下井管柱的流孔而向下流动，并且酸的流体压力致动脉冲工具。脉冲工具继而在酸注入井筒中时致动穿隧工具挠曲和不挠曲，并且形成侧向隧道。脉冲工具还有助于形成具有较大直径并且使与穿隧工具的摩擦阻力较小的侧向隧道，从而促成穿隧过程。
本发明的酸法穿隧系统是可导向的，因为它可用于在特定方向上并且在井筒中的特定深度或位置处形成隧道。在某些实施方案中，酸法穿隧系统通过基于由套管接箍定位器或传感器提供的数据使下井管柱在井筒内升高和降低而被导向。另外，穿隧工具可通过转位工具被径向定向，从而使穿隧工具的喷嘴指向在特定径向方向上。
在另一所述实施方案中，可导向酸法穿隧系统与铣削工具结合用来从套管井筒形成一个或多个侧向隧道。在这个实施方案中，铣削工具首先下放到井筒中，并且在井筒套管中其中期望使用酸法穿隧形成侧向隧道的位置处切出一个或多个窗口。此后，酸法穿隧系统下放到井筒中，并且酸法穿隧工具被导向以形成穿过一个或多个侧向窗口的一个或多个侧向隧道。
附图简述
为了对本发明进行透彻理解，结合附图参考以下对优选实施方案的详细描述，其中在所有若干附图中，相似参考数字标示相似或类似的要素，并且其中：
图1是含有根据本发明的酸法穿隧系统的示例性井筒的侧视横截面图。
图2是与图1的酸法穿隧系统一起使用的下井管柱的某个区段的侧视横截面图。
图3是图1的井筒和酸法穿隧系统的侧视横截面图，现在其中酸法穿隧工具已挠曲以啮合井筒壁。
图4是图1和图3的井筒和酸法穿隧系统的侧视横截面图，现在其中酸法穿隧工具在井筒壁中形成侧向隧道。
图5是图1、图3和图4的井筒和酸法穿隧系统的侧视横截面图，现在其中酸法穿隧工具已旋转以形成第二侧向隧道。
图6是形成扩大直径侧向隧道的酸法穿隧系统的侧视横截面图。
图7是示出示例性酸法穿隧系统导向操作中的步骤的流程图。
图8是示例性井筒的侧视横截面图，示出了在套管井筒中切出窗口的铣削工具。
图9是图8中示出的井筒的侧视横截面图，现在其中酸法穿隧系统安置在井筒内，从而形成侧向隧道。
优选实施方案详述
图1示出了已经从地面14钻穿土壤12直至含烃地层16的示例性井筒10，期望侧向隧道形成到含烃地层中。井筒10具有本领域已知的类型的衬有金属套管17的部分。大体上指示于18处的表示的酸法穿隧系统从地面14安置在井筒10内。酸法穿隧系统18包括下井管柱20，其优选地是本领域已知的类型的盘绕管件。
如图2所示，中心轴向流孔22沿着下井管柱20长度限定。用于电力和/或数据的传输的线缆24沿着流孔22长度延伸。根据优选实施方案，线缆24是管丝。管丝是含有用于向井底组件提供电力和/或数据或将数据从井底组件传输到地面14的绝缘线缆的管道。管丝可从制造商(诸如Canada Tech Corporation of Calgary,Canada)商购。拾音线圈是结合管丝的盘绕管件，可传输电力和数据。
在地面14上，控制器26从线缆24接收数据。控制器26优选地是用于处理从井底组件接收的数据的具有适量存储器和存储装置的可编程数据处理器，以及用于将此类数据显示出来的构件。在当前优选实施方案中，控制器26包括计算机。在优选实施方案中，控制器26利用合适地质导向软件进行编程，这种地质导向软件能够使用从井下传感器收集的数据，并且实时地对操作人员提供指导，从而允许在进行的改变或穿隧工具40的位置和定向。由控制器26使用的合适软件包括可从Baker Hughes Incorporated of Houston,Texas商购的储库导航服务(RNS)软件。
酸法穿隧系统18包括井底组件28，井底组件通过盘状管件连接器30而紧固到下井管柱20。井底组件28被设计为用于注酸，并且优选地包括了传感器模块32和套管接箍定位器34。在所述实施方案中，井底组件28还包括了转位工具36和脉冲工具38。另外，井底组件28包括酸法穿隧工具40。
在许多方面中，酸法穿隧工具40以与Misselbrook等人的美国专利公布2008/0271925中描述的酸法穿隧井底组件100相同的方式被构造和操作。酸法穿隧工具40包括杆棒42和中间承部44，中间承部由铰接万向接头46附连到脉冲工具38。第二铰接万向接头48使杆棒42与中间承部44互连在一起。杆棒42在其远端具有喷嘴50。用作酸法穿隧工具40的合适装置是可从Baker Hughes Incorporated of Houston,Texas商购的StimTunnelTM定向酸放置工具。
转位工具36轴向安置在液压断开装置34与脉冲工具38之间。用作转位工具36的合适装置是可从National Oilwell Varco商购的盘状管件Hi-Torque Indexing Tool。转位工具36能够使脉冲工具38和酸法穿隧工具40相对于井筒10内的下井管柱20来旋转。
井底组件28还包括了脉冲工具38。用作脉冲工具38的合适装置是可从BakerHughes Incorporated of Houston,Texas商购的EasyReachTM流体锤工具。此类型的流体脉冲工具在Standen等人的标题为“流体脉冲发生器(Fluidic Impulse Generator)”的美国专利公布第2012/0312156号中更详细地描述。在操作中，诸如酸的流体向下流过下井管柱的流孔22，并且流过脉冲工具38、朝向酸法穿隧工具40。脉冲工具38在流动到酸法穿隧工具40的流体内形成压力脉冲，并且这些脉冲将会致使杆棒42和中间承部44在第一万向接头46和第二万向接头48被挠曲或弯曲。在当前优选实施方案中，穿隧工具40将会挠曲(图3中示出的挠曲位置)和不挠曲(图1中示出的不挠曲位置)，挠曲在接收脉冲时发生。穿隧工具40的挠曲允许以某个角度向井筒10壁注酸，如图3至4所示。图4中示出了通过从喷嘴50注酸形成的侧向隧道52。
图6示出了使用脉冲工具38来有助于形成扩大直径侧向隧道52。在操作中，脉冲工具38生成一系列的流体脉冲，这系列的流体脉冲朝向穿隧工具40传输。在每个脉冲传输时，杆棒42和中间承部44会挠曲到在图6中以实线示出的第一位置。在脉冲经过时，杆棒42和中间承部44不挠曲而到达在图6中以虚线指示的第二位置。因此，地层16的其上方分布酸的地面面积增加，从而扩大侧向隧道。具体来说，侧向隧道52将会具有分布到上部部分54和下部部分56上的酸。周期性的挠曲和不挠曲连同酸的注入一起将会形成相较不结合脉冲工具的酸法穿隧工具来说具有扩大直径或较宽部分的侧向隧道52。另外，扩大侧向隧道将会造成穿隧工具40与地层16之间的摩擦减少，这将有助于形成侧向隧道52的过程。
在某些实施方案中，测斜仪58结合到穿隧工具40中。测斜仪58能够确定穿隧工具40或其部分相对于垂直轴线或相对于井筒10的斜度或角度的成角度的倾斜。测斜仪58电连接到数据/电力线缆24，使得测斜仪数据实时地发送到在地面14上的控制器26。另外，传感器模块32和套管接箍定位器34电连接到数据/电力线缆24，使得由它们获得的数据实时地提供到控制器26。
传感器模块32包括能够检测至少一个井下参数的传感器。优选地，传感器模块32包括能够检测各种井下参数的传感器。由传感器模块32感测的示例性井下参数包括温度、压力、γ参数、声学参数和pH(酸度/碱度)。这些参数可由控制器26或用户使用来实时地识别井底组件28在井筒10内的位置和定向。例如，检测到的井筒压力或温度可与井筒10内的特定深度相关。在特定实施方案中，从传感器模块32提供到控制器26的实时体积和方位γ测量由控制器26以类似于地理导向钻井技术的方式使用来实时地确定所形成的侧向隧道52是否是在所要方向上从井筒10形成。在某些实施方案中，感测到的声学数据从传感器模块32提供到控制器26，由控制器26使用来实现相同目的。pH传感器将有用于将信息提供到控制器26，这将有助于确定酸在形成侧向隧道52过程中是否被有效地消耗(即，与地层岩石反应)。用户可作为响应来调整酸体积、泵送速率、温度和/或压力。
控制器26将响应于由与井底组件28一起使用的传感器模块32、测斜仪58和套管接箍定位器34提供到控制器26的信息为用户提供对穿隧工具40进行导向需要的信息。套管接箍定位器34能够提供作为与套管接箍(即，与井筒10的套管部分17一起使用的连接接箍)的轴向间距的检测结果的位置数据。在本发明的酸法穿隧系统18中，来自套管接箍定位器34的数据经由数据/电力线缆24实时地提供到控制器。
用户可响应于由控制器26收集的信息对井底组件28进行导向，以便在所要位置处和在所要方向上形成侧向隧道。参考图5，可以看出，穿隧工具40从第一侧向隧道52形成起已经在井筒10中旋转，使得第二侧向隧道60正在通过来自喷嘴50的酸形成。穿隧工具40已经通过转位工具36在井筒10内旋转。在某些实施方案中，转位工具36能够使穿隧工具40在井筒10内在任一径向方向上旋转达180度，从而能够使穿隧工具40的喷嘴50在井筒10内定向在任何径向方向上。这种对穿隧工具40的实时导向也可用于最初对穿隧工具40的喷嘴50进行引导和定向，以便形成侧向隧道52。
本发明提供了用于对穿隧工具40进行导向以便形成侧向隧道(诸如隧道52、60)的系统和方法。根据特定实施方案，来自井下传感器和装置的数据实时地传输到地面，并且响应于此，穿隧工具40在井筒10内轴向移动和/或在井孔10内成角度地旋转，从而对在所要方向上注入以形成一个或多个侧向隧道的酸的喷嘴50进行导向和定向。图7提供了示例性流程图，示出了用于对穿隧工具40进行导向以形成侧向隧道的示例性操作中的步骤。在步骤70中，井底组件28在下井钻柱20上下方到井筒10中，到达井筒10内的第一所要位置。在步骤72中，使酸流向井底组件28，在此，脉冲工具38被激活以挠曲和不挠曲穿隧工具40，如上所述。酸在井筒10内的第一位置处形成了第一侧向隧道。
在步骤74中，来自传感器模块32、测斜仪58和套管接箍定位器34的数据被传输到控制器26。注意，步骤74在步骤70和72中的每个步骤期间发生。在步骤76中，穿隧工具40被导向以将喷嘴50定向来在第二位置处形成第二侧向隧道。用户响应于并且基于由控制器26收集的实时井下参数数据对穿隧工具40进行导向。在对穿隧工具40进行导向过程中，井底组件28可以在井筒10内轴向移动。另外，转位工具36可以通过使穿隧工具40在井筒10内旋转来对其进行导向。在步骤78中，穿隧工具40在井筒10内的第二位置上形成第二侧向隧道。在步骤80中，使酸流向井底组件28。脉冲工具38使穿隧工具40挠曲并且使喷嘴50径向向外指向，使得可以形成第二侧向隧道。
图8至9示出了其中酸法穿隧系统用于从井筒90内形成一个或多个侧向隧道的实施方案，井筒衬有金属套管92。图8示出了已经在下井管柱96上下放到井筒90中的窗口铣刀94。造斜器98已经放置在井筒90内，使铣刀94偏转以使得在套管92中切出窗口100。在井筒90内其中期望形成侧向隧道的位置处切出窗口100。虽然仅示出了切出单个窗口100，但是应当理解，可以切出多于一个窗口，从而允许在井筒90上的多个位置处形成侧向隧道。
在切出窗口100(或多个窗口，如果适用的话)后，将铣刀94和造斜器98从井筒90移除。此后，酸法穿隧系统18安置到井筒90(图9)中。然后，使用前述技术对酸法穿隧系统18的穿隧工具40进行导向，从而使穿隧工具40的喷嘴50指向窗口100和周围地层16。在这种情况下进行导向将优选地利用至少由套管接箍定位器34提供到控制器26的数据，以便有助于将穿隧工具40正确定位在井筒90中与窗口100相同的深度或位置处。来自测斜仪58的数据可有用于引导喷嘴50穿过窗口100。如果在套管中已切出了多个窗口，那么使用前述技术将穿隧工具40导向到这些窗口中的每个窗口。在每个位置处，使用酸法穿隧工具穿过窗口(诸如窗口100)形成侧向隧道。
本领域的技术人员将认识到，可对本文中的示例性设计和实施方案做出许多修改和改变，并且本发明仅仅由随附权利要求和任何其等效物限制。

Claims (12)

1.一种用于在包围井筒(10)的地下地层(16)中形成侧向隧道(52、60)的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述可导向酸法穿隧系统包括：
酸法穿隧工具(40)，所述酸法穿隧工具具有杆棒(42)，所述杆棒具有用于将酸注入所述地层中的喷嘴(50)和用于使所述杆棒(42)在所述井筒内成角度地弯曲的至少一个可铰接的接头(46、48)；
脉冲工具，所述脉冲工具提供压力脉冲，所述压力脉冲朝向所述酸法穿隧工具传输以引起所述至少一个可铰接的接头弯曲所述杆棒；和
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于检测至少一个井下参数和将指示所述至少一个井下参数的信号传输到地面；
其中所述酸法穿隧工具通过实时地响应于检测到的所述至少一个井下参数并借助于所述脉冲工具提供的压力脉冲来使所述杆棒成角度地弯曲而被导向，以便在特定方向上将酸注入。
2.如权利要求1所述的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述可导向酸法穿隧系统还包括：
转位工具(36)，所述转位工具可操作地与所述酸法穿隧工具相关联并且可操作以使所述酸法穿隧工具(40)在所述井筒内旋转；并且
其中所述酸法穿隧工具还通过利用所述转位工具使所述酸法穿隧工具在所述井筒内旋转而被导向。
3.如权利要求1所述的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述至少一个井下参数是由以下项组成的组中的至少一者：压力、温度、工具斜度、与套管接箍的轴向间距、酸碱度、γ参数和声学参数。
4.如权利要求1所述的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述可导向酸法穿隧系统还包括：
测斜仪(58)，所述测斜仪可操作地与酸法穿隧工具(40)相关联；并且
其中所述测斜仪将指示所述穿隧工具在所述井筒内成角度地倾斜的实时信号提供到地面。
5.如权利要求1所述的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述酸法穿隧系统还包括用于接收指示所述至少一个井下参数的信号的控制器(26)。
6.如权利要求1所述的可导向酸法穿隧系统，其特征在于，所述可导向酸法穿隧系统还包括：
下井管柱(20)，所述下井管柱用于将包括所述酸法穿隧工具和所述一个或多个传感器的井底组件下放到所述井筒中，所述下井管柱具有用于酸的流动的轴向流孔(22)；以及
电力/数据线缆(24)，所述电力/数据线缆位于所述流孔内，用于将指示所述至少一个井下参数的信号传输到地面。
7.一种实时地对酸法穿隧系统在井筒(10)内进行导向以从所述井筒形成侧向隧道(52、60)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将酸法穿隧系统(18)下放到井筒(10)中，所述酸法穿隧系统具有酸法穿隧工具(40)和脉冲工具，所述酸法穿隧工具具有杆棒(42)，所述杆棒具有用于将酸注入径向包围所述井筒的地层(16)中的喷嘴(50)和用于使所述杆棒在所述井筒内成角度地弯曲的至少一个可铰接的接头(46、48)，所述脉冲工具提供压力脉冲，所述压力脉冲朝向所述酸法穿隧工具传输以引起所述至少一个可铰接的接头弯曲所述杆棒；
利用一个或多个传感器检测至少一个井下参数并实时地将指示所述至少一个井下参数的信号传输到地面；
通过实时地响应于检测到的所述至少一个井下参数并借助于所述脉冲工具提供的压力脉冲来使所述杆棒成角度地弯曲而将所述酸法穿隧系统的所述酸法穿隧工具导向到所要位置，以便形成侧向隧道(52、60)；以及
使酸流向所述酸法穿隧工具以在所述所要位置处将所述酸注入地层中，从而形成所述侧向隧道。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述酸法穿隧工具导向到所要位置的所述步骤还包括将所述酸法穿隧工具从所述井筒内的第一位置导向到所述井筒内的第二位置。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
所述压力脉冲致使所述杆棒在第一位置与第二位置之间围绕所述可铰接的接头挠曲，使得所述喷嘴在所述第一位置和所述第二位置将酸注入，从而扩大已形成的所述侧向隧道。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述酸法穿隧工具导向到所要位置的所述步骤包括：使所述酸法穿隧工具在所述井筒内旋转。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述酸法穿隧工具导向到所要位置的所述步骤包括：使所述酸法穿隧工具在所述井筒内轴向移动。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述井筒衬有金属套管(17)；并且
在将所述酸法穿隧系统下放到所述井筒中之前，在所述金属套管中切出窗口，并且此后，将所述酸法穿隧工具在所述井筒内导向到所述所要位置。
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