CN108779666A - 单次进入压裂方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种在地下地层中提供裂缝的方法，所述方法利用一组第一线绳可控阀(108)来打开套管(107)内部与套管外部之间的连通，所述套管已固定到井筒(101)中。与所述第一阀中的每个相关联的线绳可控阀隔离所述第一阀下游的所述套管内部。两个阀由线绳致动器操作。在形成每个连续的裂缝之后，所述线绳致动器移动经过下一组阀，改变它们的位置，并且然后形成下一个裂缝。隔离所述套管的下游部分的阀在操作完成之后打开、铣出或由可降解材料制成，以便能够从所述地层通过所述裂缝进入所述井筒中来开采。

Description

单次进入压裂方法

背景技术

水力压裂用于增加与井筒连通的地层的面积，并因此增加流体的产量，或增加可从井筒注入地层中的流体的量。水力压裂已经商业化使用了数十年，但是可产生的裂缝尺寸的逐渐改进和裂缝的成本效益，以及比如改进的水平钻井和定向钻井等的发展导致水力压裂使得能够从如烃源岩或以前不被认为是经济上可开采的其它极低渗透性地层的地层中开采烃。

通常，通过在地层中提供一英里或更长距离的水平井，从如烃源岩的低渗透性地层中开采气体和/或油。然后地层从井筒中被压裂多达二十到五十个位置，沿水平井筒每15至150米放置裂缝。通过将压裂液泵送到井筒的隔离区段中来提供裂缝，所述隔离区段在超过导致地层破裂和打开的压力的压力下与地层连通。这允许压裂液进入地层到裂缝中并进一步传播裂缝，直到流体经由裂缝的岩石面进入地层中的速率等于流体可泵送到裂缝中的速率。

在裂缝形成之后，裂缝可通过在压裂液中包含如细沙或陶瓷颗粒的材料被支撑开，或在碳酸盐岩地层中，可通过在压裂中包含酸来形成通过裂缝的渗透性，所述酸溶解在裂缝面处的一些矿物质以沿裂缝岩石表面形成虫洞。通过包含添加剂以增加压裂液的粘度，支撑剂可在压裂液内保持悬浮，以降低支撑剂的沉降速率。替代地，或另外，可使用具有较低密度的支撑剂以降低它们在压裂流体中沉降的速率，用于增加压裂液粘度的聚合物可能对裂缝附近的地层渗透性有害，因此已经开发了称为滑溜水压裂的技术。这些技术不使用增稠聚合物，而是依赖于快速注入压裂液。

压裂方法公开在例如美国专利8,183,179和7,451,820中，其公开内容以引用的方式并入本文中。

已知方法是通过在套管中提供一簇穿孔并且隔离含穿孔簇的区段与封隔器或复合可钻孔塞，并且然后在足够高以通过穿孔簇压裂地层的压力下将压裂液泵送到所述区段中，一次一个地提供裂缝。然后将封隔器移动到井筒的另一区段，从该区段井中提供另一簇穿孔或添加更多的复合可钻孔塞，并重复所述过程。当总水平井被刺激以允许所有裂缝流动时，复合可钻孔塞被铣削。

一次提供一个裂缝是缓慢的过程，并且设备有很多机会有故障，导致进一步的延迟。一种改进是通过隔离多个穿孔簇，并将高压压裂液提供给所有隔离的簇，一次提供一组裂缝。这节省了相当多的钻机时间，但导致裂缝尺寸变化。例如，当一组四个簇一次被破碎时，已经发现，典型的是一个或两个穿孔簇通常根本不会被压裂，并且支撑剂显著更多地仅进入一个裂缝。因此，裂缝不是最佳尺寸。一次穿孔的簇的数量通常是有限的，以便减少不提供有效裂缝的簇的数量。

提供更均等尺寸的裂缝的技术包含间隔地将分流器材料提供到压裂液中以堵塞生长的裂缝并迫使压裂液进入其它穿孔中。例如，在美国专利申请公开US2015/0233226中公开了这类方法。

除了通过井筒内的穿孔进行压裂之外，还已知的是，为井套管提供可打开的套筒阀，以便为从套管内部到套管周围的地层的压裂液提供连通。美国专利申请US2015/0114664公开了一种偏置套筒阀，其可通过例如在球中传递的电子或磁信号跳闸到打开位置，当需要打开套筒时，球可落入井筒中。还提出该装置可包含当滑动套筒移动时摆动到底座上的挡板，从而阻止流动到打开的套筒阀下方的裂缝。提出挡板可由在井筒条件下分解并且因此在压裂操作之后，不抑制从挡板下方的裂缝开采的材料制成。端口依次打开，并通过套筒单独提供裂缝。该方法可一次一个地提供裂缝而不需要移动封隔器，但是提出的用于触发组合的套筒阀和挡板的移动的方法需要任一端口来捕获掉落的球、连续油管或其它机构。因为可提供延伸超过一英里的延伸井，并且理想的裂缝间距可小至四十五英尺，所以希望有一种方法和设备来提供具有不受限数量的可控套筒阀和挡板组合的套管，而不需要连续油管来操作阀和封隔器。

例如，也可远程控制套筒阀，但是电信号通过电线或通过套管本身、液压管线或通过光缆承载的信号传输。这些阀通常不具有成本效益，因为它们大大增加了井的成本。

能够通过市售的线绳工具操作的滑动套筒阀是已知的，例如，如美国专利5,263,683中所述。

用砂浆组合物压裂地层是已知的，例如，来自美国专利申请公开US2013/0341024。

发明内容

一种提供压裂的地下地层的方法，包括：提供从地表位置到地下地层并且在地下地层内从愈合端到趾端基本上水平的井筒；在井筒内提供套管，其中套管包括多个有效地提供井筒内部和井筒外部之间的连通的第一线绳可控阀，以及多个第二线绳致动阀，其中每个第二线绳致动阀与第一线绳致动阀相关联，并且每个第二线绳启动阀有效地隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分，其中最初所有第一线绳可控阀都关闭，并且所有第二线绳可控阀都打开；在井筒的趾部和最靠近井筒的趾端的第一线绳可控阀之间在井筒的趾端附近从井筒提供裂缝；打开第一线绳可控阀并且关闭最靠近井筒的趾端的第二线绳可控阀；通过打开的第一线绳控可控阀，向地下地层中提供裂缝；打开第二最靠近趾端的第一线绳可控阀并且关闭第二最靠近趾端的第二线绳可控阀；和通过第二最靠近趾端的打开的第一线绳启动阀，向地下地层中提供裂缝。

本发明允许借助可靠且快速地从一个裂缝移动到下一个裂缝的系统，对于每个单独裂缝使用单点流体进入进行压裂，从而解决了目前使用的单点进入系统的主要缺点。

本发明可与砂浆或水泥压裂工艺一起使用，或可与酸压裂、滑溜水支撑剂压裂工艺或聚合物胶凝支撑剂压裂工艺一起使用。

附图说明

图1至图9是根据本发明的实施例的配备有处于用于压裂地层的各个阶段的滑动套筒阀和挡板阀的井筒的横截面视图。

具体实施方式

可通过已知的钻井和完井方式为本发明的实践提供井筒。本发明的井筒可以是垂直的，但是当应用于水平井时本发明更有利，因为可从水平井筒提供大量的裂缝。水平侧向可通过定向钻井技术提供，所述定向钻井技术利用加速度计来确定井筒和驱动钻头的可转向马达的位置，或通过利用随钻测井技术将井保持在地层内的目标位置附近或在距参考井筒的预定距离和方向的范围内来提供。正在开发技术以延长可提供水平井的距离，因为通常，较长的水平部分将能够更经济地进入更大体积的地层，因为相对于要进入的地层的体积，通过覆盖层提供井口和井筒的费用减少。如中性浮力钻杆或牵引器以补充钻头上的重量的技术可用于增加可提供的水平井的长度。

在提供井筒之后，例如，可通过提供套管并将套管固定在井筒中的已知方式完成。在压裂地层的操作之前，通常需要对套管进行穿孔。可通过将成形装药放置在位于井筒中的工具中并且引爆成形装药来提供穿孔。成形装药迫使套管中的开孔，并穿过套管之间的环形空间中的任何水泥并进入地层中。因此，在套管内部和地层之间建立连通。

套管可以一系列减小的尺寸提供。这是因为地层的压裂压力与地层的孔隙压力之间的差异仅允许在单个钻井液密度不足以保持井筒内的压力高于正被钻的地层的孔隙压力并且低于压裂地层的压力之前钻一定距离，加上安全边际。因此，在那时，井筒将需要设置有套管，所述套管通常固定到井筒中，以隔离井筒与地层并允许继续钻井。因此，井通常设置有固定到井筒中的一系列套管，其中首先是最大直径套管，并且每个随后具有略小直径的套管。

本发明利用有效地提供井筒内部和井筒外部之间的连通的沿井筒的长度放置在需要压裂地层的位置处的线绳可控阀。这些阀可以是滑动套筒阀，如美国专利5,263,683中描述的滑动套筒阀。这些阀可通过线绳操作的工具操作，所述工具能够锁定到滑动套筒上并改变其位置以暴露最初由滑动套筒覆盖的端口。线绳操作工具可以是例如机械移位的‘冲击’工具。此工具管柱或底部钻具组件(BHA)可配备有钥匙组件，所述钥匙组件被设计成与每个滑动套筒兼容，以在整个井筒长度上打开/关闭。在水平井筒的情况下，可添加牵引器工具这(BHA)并且用于将BHA运输穿过井的侧部(朝向趾部)，以便接近每个待打开/关闭的套筒。这类工具是商业上可获得的，并且可根据需要进行修改以操作这类任何工业提供的套筒。

有效地提供井筒内部和外部之间的连通的线绳可控阀可最初安装处于关闭位置，如此不提供井筒内部和套管外部之间的连通。

套管还设置有多个第二线绳致动阀，其中每个第二线绳致动阀与第一线绳致动阀相关联，并且每个第二线绳启动阀有效地隔离第一阀上游(朝向井口)的井筒内部的一部分与第一阀下游(朝向井的趾端)的井筒内部的一部分。第二线绳致动阀可以是挡板阀，其从侧向井筒的愈合端摆动到底座上，使得来自压裂液的压力将挡板压靠在底座上并有助于阀的密封。挡板阀可由在井筒条件下随时间分解的材料制成，使得在压裂操作完成之后它们允许从井筒开采。这些阀还可作为止回阀操作，其中来自井筒的愈合端的流体流将使阀关闭，但是来自井的趾端的流体流将经过阀。

挡板可任选地由易于研磨的材料制成，其中在压裂操作完成之后它们可容易地被钻通。在另一个实施例中，可提供挡板阀，所述挡板阀可通过如线绳或连续油管输送的翻转工具的介入而打开。在另一个实施例中，挡板阀可具有挡板元件，所述挡板元件可在压裂操作完成之后通过例如连续油管工具破碎。替代地，线绳操作工具可设置有可用于破碎挡板阀的元件，并且在提供裂缝之后并且在线绳操作工具被移动以操作下两个相关联的第一和第二线绳可操作阀之前，挡板阀挡板元件被破碎。挡板可被设计成破碎成足够小的碎片，如此碎片在压裂过程完成之后不干扰井的操作。

第二线绳可控阀可以是类似于美国专利申请US2015/0114664中公开的挡板阀的挡板阀。

第二线绳可控阀可设置在与它们相关联的第一线绳可控阀附近。第一线绳可控阀和第二线绳可控阀之间的体积可在压裂过程期间填充有支撑剂，因为固体支撑剂的惯性可使它们经过开口进入裂缝中并且在通过此开口的体积中积聚。因此可使此体积最小化以减少在压裂操作完成之后可能保留在井筒中的支撑剂的量。

第二线绳致动阀可最初安装在套管中处于打开位置，因此套管具有从井筒到套管端部的连通。

在套管提供在井筒中之后，可通过常规方式在套管和井筒之间的环形空间中提供水泥。提供水泥以提供层间隔离，并且当产生裂缝时，将在阀的位置附近产生，从而提供套管内部与套管外部之间的连通。例如，水泥可从井口泵送到套管中，随后是卡在套管的下端或趾端的底座上的塞子。在塞子已置于套管的趾端之后，然后允许水泥固化。塞子后面的流体可以是经加重以便能够相对容易地引发裂缝的水或泥。塞子还可任选地跟随有致动器，如连接到线绳的线绳翻转工具。在井筒水泥已固化之后，这将是将这类致动器置于用于操作阀的位置的便利时间。

可通过加压水泥塞并在套管末端压裂地层，在井的趾端处提供初始裂缝。在此实施例中，可提供塞子，所述塞子隔离水泥与塞子后面的井筒流体，但被设计成在从井筒流体施加压力时失效。在本发明的另一个实施例中，不是通过水泥塞压裂，而是可在井筒的趾端附近的套管中提供在移动之后有效地提供从井筒内部到井筒外部的连通的阀。此阀不需要与其相关联的有效地隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分的挡板阀。在另一个实施例中，在井的趾端附近的套管可通过传统的穿孔枪使用炸药穿孔，以提供从套管内部到套管外部的地层的连通。

在形成第一裂缝之后，提供从井筒内部到邻近第一裂缝的井筒外部的连通的阀可打开，并且与其相关联的隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分的阀可关闭。这优选地用线绳输送工具完成，例如市售的线绳翻转工具。

在提供套管内部与套管外部之间的连通的阀是打开的情况下，然后可在此阀的位置处压裂地层。

当第二裂缝完成时，线绳输送的致动器可移动经过下一组相关联的阀，导致证明套管内部和套管外部之间的连通的下一个阀打开，并关闭其相关联的隔离第一阀下游的井筒内部的部分的阀。然后从此下一个打开的阀，向地层中提供裂缝。

然后重复将致动器移动经过每组阀并且压裂地层形成下一个位置的过程，直到从每个有效地提供井筒内部与井筒外部之间的连通的线绳可控阀提供裂缝。

本发明的工艺可用于提供单独的裂缝，使得控制提供到每个裂缝中的流体的量，并且除了将致动器移动经过下一组相关联的阀之外，不需要在裂缝之间进行操作。可在井筒中用比其它单一进入方法更少的设备提供裂缝，例如使用线圈管来使套管移位。所需的井下设备仅包含线绳执行器和线绳操作阀。这些是简单可靠的设备并且比例如在当前的压裂操作中需要重复设置和密封的封隔器可靠得多，或者比线圈管或工作串管更便宜。

地层的压裂或破裂可通过在足够大以超过地层的拉伸强度并使地层在穿孔点处分离的压力下将压裂液和支撑剂的浆料注入地层中来完成。地层通常具有地层处于最小应力下的方向，并且裂缝最初将在垂直于这类最小应力方向的平面中传播。在深层地层中，如通常在含所谓的轻质油、页岩气或致密砂层的地层中的情况下，覆盖层的重量通常将确保最小应力的方向是水平方向。通常，目标是在最小地层应力的方向上在这类地层中提供水平井筒，使得来自井筒的裂缝倾向于垂直于井筒。这允许从有限长度的水平井筒进入最大可能体积的地层。

在例如Schmidt的美国专利第5,074,359号和Hainey等人的美国专利5,487,831中提出了用于水力压裂地层的方法，其公开内容以引用的方式并入本文中。

压裂过程可由称为垫的流体块引发，其引发裂缝，随后是含有支撑剂的流体。支撑剂通常是细沙。通常，沙子由沙子将通过的网筛的尺寸以及沙子不能通过的网筛的尺寸来指代。通常，使用20-40目的沙子，但也可使用其它尺寸，例如40-50或40-60。沙子还通过沙粒的“圆度”来表征。通常使用在较窄直径范围内的圆形沙子，以在颗粒之间产生更均匀的空隙空间，并且因此在支撑裂缝内产生更好的渗透性。压裂液还含有例如增粘剂，以减缓沙子与流体分离的速率，并允许沙子更远地进入裂缝中。

其它类型的支撑剂也是已知的，并且可用于本发明的实践中。例如，陶瓷支撑剂是已知的。涂覆的支撑剂如在Grood等人的美国专利第7,730,948号中提出的支撑剂可以是适用的。美国专利7,730,948提出的涂层是具有低摩擦系数的涂层，以减少由压裂液引起的腐蚀。据说涂层也使沙粒更圆。这类涂层的实例包含三氧化锑、铋、硼酸、氟化钙钡、铜、石墨、铟、含氟聚合物(FTFE)、氧化铅、硫化铅、二硫化钼、二硒化铌、聚四氟乙烯、银、锡或二硫化钨或锌氧化物。例如，在Watson等人的美国专利第4,555,493号中提出了陶瓷支撑剂，并且在Usova等人的美国专利第8,420,578号中提出了低密度陶瓷支撑剂，并且这类支撑剂可用于本发明的实践中。

地层也可被含有与地层的至少一些组分反应的组分的压裂液压裂，并且从而去除裂缝面上的一些地层。替代地，组分可以产生固体的方式与地层反应，并且固体可在裂缝内的压力降低之后保持地层的岩石面分开。与地层反应的组分可以是酸性的，并且酸可溶解裂缝表面上的碳酸盐岩石，留下封闭有流体穿过裂缝到达井筒的路径的不匹配的岩石表面。酸压裂可与支撑剂结合使用，或者可在没有支撑剂的情况下使用。

通常存在于压裂液中的另一种添加剂是减摩化学品。例如，Wood等人的美国专利第8,105,985号公开了适用于用粘弹性表面活性剂胶凝的压裂液中的水溶性减摩聚合物的可接受组合。这类减摩化学品可用于本发明，但是由于提供给井筒管的涂层，可减少这类化学品的最佳量。

压裂液还可含有其它组分，如用于破坏增稠聚合物的酸，如氯化钙的盐以增加流体的密度，腐蚀抑制剂或已知适用于压裂液的其它添加剂。

在本发明的一个实施例中，地层可分阶段压裂，如美国专利申请公开2015/0075784中所公开，其内容通过引用的方式并入本文中。在偏斜或水平井中有效放置裂缝是一项挑战。在具有低渗透率的地层中突出了这一挑战。随着渗透率降低，通常需要较小的间距以有效地从地层中回收烃。然而，随着裂缝之间的间距减小，与流体注入地层中以产生一个裂缝相关的应力被认为在地层中产生“阴影”应力，其对下一个裂缝的位置产生负面影响。

在此实施例中，通过及时地分阶段提供裂缝，减小了应力阴影对随后的裂缝的影响。方法包含确定最终经济优化的裂缝间距。考虑到地层孔隙度、烃饱和度、渗透率以及与完井和开采相关的成本，可基于最小经济生产率计算或以其它方式确定所需间距。这类确定可能涉及净现值的计算，并考虑各种因素，包含但不限于当前的石油和天然气价格、运营成本和设施的能力。然后以初始裂缝间距产生第一组裂缝。此初始裂缝间距大于最终经济优化的裂缝间距。方法包含允许经由第一组裂缝从地层通过井筒开采流体持续一段时间。此方法包含在所述一段时间之后，在第一组的裂缝之间产生第二组裂缝。最终的裂缝间距小于或等于第一组裂缝与第二组裂缝之间的平均裂缝间距。为了与本发明一起应用这种裂缝放置方法，涉及通过跳过必要(每隔一个，成对等)组线绳可控阀来提供第一组裂缝。然后从第一组裂缝开采井持续足以减少来自第一裂缝的应力阴影的时间段。在开采缓解来自第一组裂缝的阴影应力之后，需要使用冲击工具的专门干预来关闭所有打开的第一线绳可控阀，并且然后开始相同的顺序以产生第二组裂缝。在产生第二组裂缝时，随着线绳工具在井中向上移动，先前刺激的套筒打开，以确保在刺激结束时所有套筒都打开用于开采。

现在参照图1，示出了井筒101，其从位于地表的井口102延伸，穿过覆盖层103到达待压裂的地层104，并且从井筒的愈合端105到趾端106横向延伸穿过待压裂的地层。套管107示出为安装在井筒中。套管包括有效地提供井筒内部和井筒外部之间的连通的第一线绳可控阀108。示出了三个，但是通常可提供三十到五十个。多个第二线绳致动阀109，其中每个第二线绳致动阀与第一线绳致动阀相关联，并且每个第二线绳启动阀有效地隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分。示出了三个第二线绳致动阀，一个与三个第一线绳致动阀中的每一个相关联。最初，所有第一线绳可控阀都关闭，并且所有第二线绳可控阀都打开。套管包含有效地停止和保持水泥塞的捕捉器110。作为将环形空间固定在套管周围的替代方案，套管可设置有隔离每个第一线绳可控阀的外部封隔器。然后，待开采的地层内的井筒部分可以是裸眼部分。外部封隔器可以是机械封隔器，或者例如可膨胀的弹性体封隔器。

现在参照图2，图1的井示出具有如图1中标记的相同元件，其中水泥201位于套管107和井筒101之间的环形空间中。水泥是传统的井筒水泥。示出了单一尺寸的套管，其从井口102延伸到井的趾端106，但应注意，通常需要具有多轮次的不同尺寸的套管，并且每个轮次的套管分别固定到井筒中。通常需要不同轮次的套管，使得可选择具有一定比重的钻井液，所述比重导致未超过在运行底部处的地层的压裂压力，并且地层流体的孔隙压力不超过在运行顶部处的钻井液的静水压头的压力。

通过水泥塞202将水泥与泵送到水泥后面的套管中的流体205分离。

将水泥塞后面的流体泵送到套管中，直到水泥塞在套管的最末端被捕捉器110捕捉。在水泥塞后面，有效地操作线绳可控阀的线绳203传送工具，例如线绳冲击工具204。钢丝绳冲击工具可附接到水泥塞，以确保它被输送到井筒的趾端并经过最靠近井筒趾端的可控阀。流体205可以是不含支撑剂的压裂液，因为井必须保持在此位置直到水泥201已固化，并且在此时间段期间不希望支撑剂从流体中沉降出。

现在参照图3，图2的井示出具有如图2中标记的相同元件，井示出在套管的趾端处具有裂缝301。可通过在地表面处的高压泵(未示出)对套管中的流体施加压力来形成裂缝。可提供在压裂差压下会失效的水泥塞，如同地层失效，从而为压裂流体提供连通以从套管内部进入地层。压裂通常用不含支撑剂的流体引发，然后加入支撑剂以填充裂缝。初始压裂液可包含酸以帮助除去环形空间内的一些水泥并改进压裂液流入地层中的能力。压裂液可含有已知的添加剂，并且压裂工艺可以是滑溜水压裂工艺，其中在支撑剂有机会沉降之前，高速度用于使支撑剂进入裂缝中，或者压裂工艺可使用增稠的流体来保持支撑剂处于悬浮持续较长的时间。裂缝301也可以是不使用支撑剂的酸裂缝，但是将酸注入地层中以溶解碳酸盐岩石并形成在去除压裂压力之后保留的渗透性平面。

现在参照图4，图3的井示出具有如图3中标记的相同元件，其中线绳冲击工具204已被移动以操作最靠近井筒的趾端的两个阀。线绳203已被用于拉动线绳冲击工具204经过第一组相关联的线绳可控阀并且从而关闭有效地隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分的阀303，并打开第一线绳可控阀302，从而提供从井筒内部到套管外部环形空间中的水泥的连通。井尚未准备好形成第二裂缝。

现在参照图5，图4的井示出具有如图4中标记的相同元件，其中已通过打开的第一阀302形成了裂缝501。可以任何形成裂缝301的方式形成裂缝401。

现在参考图6，图5的井示出具有如图5中标记的相同元件，其中井已经准备好形成下一个裂缝。已经移动了线绳冲击工具204，以便依次操作下一个线绳可控阀601和602。有效地提供井筒内部和井筒外部之间的连通的第一线绳可控阀打开，并且有效地隔离第一阀上游的井筒内部的一部分与第一阀下游的井筒内部的一部分的阀关闭。此时，井准备好在阀602的位置处向地层中提供裂缝。

现在参照图7，图6的井示出具有如图6中标记的相同元件，其中已通过打开的第一阀602形成了裂缝701。可以任何形成裂缝301或401的方式形成裂缝601。

现在参照图8，图7的井示出具有如图7中标记的相同元件，其中已通过打开的第一阀802形成了裂缝801。线绳203和线绳冲击工具204已从井筒移除。在线绳冲击工具经过阀801和802时，阀被操作并改变位置，从而在该位置处与井外部的地层建立连通，并隔离阀803上游的井筒(或从井口到阀803的井筒内部的体积)与阀803下游的井筒(或从阀803到趾端106的套管内部的体积。可以任何形成裂缝301或401的方式形成裂缝801。

现在参照图9，图8的井示出具有如图8中标记的相同元件，其中第二阀被移除并且井准备好从地层104开采。

在本发明的一个实施例中，可使用砂浆或水泥压裂地层，如美国专利申请2013/0341024中所公开。在此实施例中，可使用连续油管将水泥浆放置在套管底部附近，并且任选地替换用于输送变换工具的线绳，以执行本申请中描述的顺序和填充有水泥浆的套管，直到水泥浆的静水压水头超过地层的压裂压力。在此实施例中，水泥浆的比重可为2或更大，或在2.1和2.5之间。利用浆料的这种重力，套管中浆料柱的静水压头通常将超过地层的压裂压力，而在压裂操作期间没有过量的压力施加到地表处的套管中的流体。可能有用的是在通过浆料压裂之前或之后对套管中的流体施加压力，例如，通过经由例如连续油管将盐水或其它流体注入套管中，迫使水泥进入裂缝或使水泥沿套管循环向上而产生初始裂缝或从套管中除去水泥。当对于这些操作从地表对套管中的流体施加压力时，流体的体积不需要很大。因此不需要具有大容量的压裂泵。此外，如果使用连续油管将水泥放入井筒中，那么高压泵不需要泵送水泥浆。仅相对小体积的含支撑剂的流体需要在高压下泵送，因此泵的维护大大减少。

在正常压裂操作中，通过微震数据可看到裂缝从裂缝的初始点沿向上方向且向上生长。这可能是因为裂缝中正常压裂液的静水压头通常小于地层的压裂梯度，并且传播裂缝的压力来自地表处的非常高压泵。在裂缝内，被压裂的岩石看到流体的静水压头加上在地表处施加的压力的的总和，由于流体流动导致的水力损失减少。因为裂缝内流体的静水压头小于被压裂的岩石的压裂梯度，所以在裂缝顶部处的裂缝内的压裂压力超过裂缝底部。在非常高密度的压裂液的情况下，情况恰恰相反。在压裂液是比重大于2的水泥浆或砂浆浆料的情况下，在裂缝底部处的裂缝内的压裂压力将超过裂缝顶部。在压裂液的静水压头超过被压裂的地层内的压裂梯度的情况下，裂缝倾向于向下生长。

在本发明的一个实施例中，可使用比重不超过地层的压裂梯度的压裂液来为井筒提供裂缝，从而产生向上的裂缝，并且然后可使用比重超过被压裂的底层的压裂梯度的压裂液来提供裂缝，从而提供倾向于向下生长的裂缝。比重不超过地层压裂梯度的流体可以是传统的滑溜水压裂液、聚合物胶凝压裂液，或简单的沙子和水的碎块。当使用具有这类不同比重的压裂液时，可通过裂缝进入更多的地层。

可在初始完井过程中提供裂缝，或者，例如，使用不超过地层的压裂梯度的压裂液提供裂缝的井，并且任选地开采。然后可借助水泥浆或砂浆浆料压裂工艺对次常规压裂和开采的井进行再压裂，以增加向下延伸而不是向上延伸的裂缝，并且从而从现有井筒进入地层的完全未开采的部分。

在本发明的另一个实施例中，基于井筒的位置与通过裂缝要进入的地层的关系来选择压裂液的比重。如果裂缝要进入的地层在井筒下方，那么选择比重超过地层压裂梯度的压裂液。如果裂缝要进入的地层在井筒上方，那么选择比重小于待压裂的地层的压裂液。待进入的地层的位置可在井筒下方，因为例如井筒最初提供在待进入的地层的顶部附近，或者因为已经提供了向上的裂缝，并且井筒上方的地层已经被开采。如果井筒在待进入的地层的中心附近，那么可使用比重在例如压裂梯度的正负百分之十之内的压裂液。

在本发明的另一个实施例中，当使用水泥浆或砂浆浆料作为压裂液时，可使用连续油管将水泥放入井筒中。在形成裂缝之后，通过使置换流体沿着连续油管向下循环，水泥可在移动到下一个裂缝之前循环出套管。如果以这种方式使用连续油管，那么连续油管可设置有致动器以操作线绳可控阀。

初始裂缝可包含酸处理。通常在压裂操作开始时使用酸处理以从穿孔或滑动阀开口周围的环形空间中去除一些水泥。此酸处理可显著降低近井筒区域的压降。通常，一井筒体积的酸用于此目的。

当使用水泥浆或砂浆进行压裂时，酸处理中使用的酸的体积也可大于通常使用的酸处理。例如，可使用三到十个井筒体积的酸。在用水泥浆压裂之前将酸置于裂缝中可导致对裂缝中的固化水泥的表面进行基本上酸处理。酸将被迫更深地进入裂缝或进入裂缝面处的地层中。在压裂压力释放之后，酸或所产生的中和盐将倾向于流回井筒。酸将与地层中的碳酸盐反应，或在流回裂缝中时与固化水泥中的碳酸盐反应，从而产生沿裂缝中水泥表面的用于地层流体的流动路径。

用于本发明的酸的适用流体是15％w至28％w的盐酸。替代地，可使用甲酸、硫酸、磷酸、硝酸或乙酸或其组合。这些酸在高温条件下更容易抑制。然而，乙酸和甲酸通常比盐酸成本高。

通常，胶凝水或交联凝胶流体可用作垫流体以填充井筒并分解地层。然后泵送水基垫以产生初始裂缝。酸可以是胶凝、交联或乳化的流体，以维持裂缝宽度并最小化流体泄漏。可将流体损失添加剂添加到酸流体中以减少流体泄漏。

在酸处理之后可使用间隔流体以减少酸与水泥浆或砂浆浆料的返混。间隔流体可以是胶凝流体，以匹配井筒温度下的水泥浆或砂浆浆料的粘度，以帮助减少间隔物和浆料之间的返混。

当使用水泥浆或砂浆浆料作为压裂液时，本发明可通过从初始裂缝的产生到形成最后的裂缝，从地表继续将浆料放入套管中来实施。在此实施例中，当足够的水泥被迫进入裂缝中时，可将含有胶凝支撑剂的流体块放入套管中，随后是没有支撑剂的流体间隔物，然后是酸块。当含支撑剂的流体基本上在裂缝中时，可操作线绳可控阀以隔离新产生的裂缝，并打开下一个第一线绳可控阀，从而提供套管内部与地层之间的连通。将酸放置成然后进入地层并产生新的裂缝。在此操作期间，如果套管充满酸而不是水泥浆，那么可能需要从地表向套管中的流体施加压力以压裂地层并迫使酸进入地层中。在本发明的此实施例中，流体可从第一裂缝开始几乎连续地泵送到套管中，直到最后的裂缝完成。

与滑溜水或聚合物凝胶支撑剂方法相比，使用水泥或砂浆浆料作为压裂液的优点是水的使用减少了至少一半。此外，最终开采出在正常滑溜水或聚合物胶凝压裂操作中注入的所有水。这种水在开采时可被烃和盐饱和，并且在处置之前需要相当多的处理。因为用于水泥或砂浆浆料压裂工艺的大部分水在水泥或砂浆的水合作用中被消耗，所以开采出非常少量的需要处理或处置的流体。具体来说，高密度浆料含有较高的固体与水的比率，并且这减少了在水泥或砂浆固化之后剩余的未反应水的量。由于某些地区的水权可能很少，所以用水量的显著减少是显著的优点。例如，超过百分之九十的在压裂过程中注入的水可在水泥或砂浆的水合中被消耗，或者百分之九十五和九十九之间的在压裂过程中注入的水可被水泥或砂浆的水合消耗。

使用水泥浆或砂浆作为压裂液的另一个优点是，发现在水泥水合并且开采开始之后，因为很少的水流回到井筒中，所以正常的开采在非常短的时间内开始。例如，正常开采可在一天内或从井筒初始流动的一至三天内开始。通常，在井被压裂或再压裂之后，由于沙子和水含量超过正常开采系统的容量，开采需要隔五到三十天。在这五到三十天时间段期间，每个井需要价值100,000美元到500,000美元或更多的临时设备和操作员，并且本发明不需要这种临时设备和操作员。

使用水泥浆或砂浆浆料进行压裂的另一个优点是，与普通的滑溜水或聚合物胶凝压裂液方法相比，所需设备的占地面积显著减少。尽管在压裂操作结束时，最初产生裂缝和迫使井筒中的水泥进入裂缝中可能需要高水头泵，但这些操作不需要大体积，因此大部分消除了用于压裂液的昂贵泵。一般来说，本发明的功率要求可以是滑溜水压裂操作的功率要求的约三分之一。

使用水泥浆或砂浆浆料进行压裂的另一个优点是，与普通的滑溜水或聚合物胶凝压裂液方法相比，二氧化碳和噪声足迹显著减少。用于将材料放入裂缝中的马力减小导致两者的显著减少。另外，产生二氧化碳并且使用较少的水，同时需要处理的水量的显著减少由通过本发明几乎消除的在完井成操作之后水回流引起。减少用水量和废水开采也减少了货运需求。

当水泥浆或砂浆浆料用作压裂液时，本发明的另一个优点是不需要用于压裂的普通地表井口设备，被称为压裂树。压裂可通过普通的防喷器进行。无需更换地表设备降低成本和时间，并节省大量费用。

在本发明的另一个实施例中，在水泥浆或砂浆浆料用作压裂液的情况下，选择水泥的密度，使得等于从待压裂的地层到最低的含水层的高度的水泥柱的静水压头超过待压裂的地层的压裂压力。通过使用这种密度的水泥浆或砂浆浆料，裂缝不可能到达含水层，并且即使套管周围的环形空间中的水泥完全失效，环形空间中的水泥也不会到达含水层。

在本发明的另一个实施例中，在水泥浆或砂浆浆用作压裂液的情况下，其密度使得静水压头小于井的深度。这样的一个优点是在压裂过程期间地表不需要压力。普通压裂过程所需的高压偶尔会导致设备或井筒故障。

在本发明的另一个实施例中，当使用水泥浆或砂浆浆料作为压裂液时，提供浆料，其中澄清的水和固体倾向于分离。尽管应用不受理论的束缚，但据信使用固体倾向于沉降的浆料导致裂缝顶部附近形成界面，其中水泥支撑裂缝打开，并且水泥和水界面上方的通道导致形成在此界面上方的延伸深入到裂缝中并允许流回到井筒中的通道。

水泥浆或砂浆浆料分离的趋势可通过API游离流体测试(API Free Fluid test)或API沉淀测试(API Sedimentation test)的结果来指示。

API游离流体测试在250ml尾玻璃量筒中进行，所述量筒置于测试温度的烘箱中。测试是2小时长，并且因为它是玻璃分离，并且可在视觉上看到视觉变色。可在视觉上看出浆料是否稳定。可测量量筒顶部的游离流体的体积。通过API游离流体测试，用于实施本发明的浆料可具有大于2体积％的游离流体，或在2和4体积％之间的游离流体，或在1和6体积％之间的游离流体。

API稳定性测试(API Stability test)首先需要将浆料调节至测试温度，并且然后将浆料倒入黄铜模具中。然后将模具置于测试温度的加压固化室中，并且使水泥固化。这通常持续约36至48小时。然后将具有固化水泥的模具打开，并从上到下分段测量固化水泥的密度。如果浆料在顶部的密度小于底部，那么我们说浆料已经沉降。对于本发明，希望浆料具有显著的沉降倾向。具有较高密度的水泥将具有较快的抗压强度发展。正是较高的抗压强度帮助支撑打开裂缝。对于本发明，可使用在顶部和底部之间产生大于1.5磅/加仑的密度差(使用API沉降测试(API Sedimentation test))的浆料。

通常，对于如井筒环形空间固井的应用，如增粘剂的化学添加剂用于防止或减少由API游离流体测试确定的游离水，或根据API沉降测试的强度差异，但是对于本发明的一些实施例，在水泥浆或砂浆浆料中包含如分散剂的添加剂，以增加水泥浆或砂浆浆料分离的趋势。适用的分散剂可以是基于木质素磺酸盐的分散剂。基于浆料的干燥水泥含量，基于木质素磺酸盐的分散剂的适用浓度可在0.1和0.4重量％之间。

采用高密度浆料的砂浆或水泥浆压裂工艺可能受益于单点进入压裂工艺，因为用这类材料引发的裂缝开可能会继续向下生长，而对裂缝的尺寸没有自然限制，因为随着裂缝进入更深的深度，较大的边际超过了压裂梯度。因此，如果一次压裂多簇穿孔，那么形成的第一个裂缝得到所有浆料，并且在其它穿孔处不太可能形成裂缝。因此，对于用砂浆或水泥浆进行压裂，需要有效的单点进入压裂工艺。

Claims (20)

1.一种提供压裂的地下地层的方法，其包括：

提供从地表位置到所述地下地层并且在所述地下地层内从愈合端到趾端的井筒；

在所述井筒内提供套管，其中所述套管包括多个有效地提供所述井筒内部和所述井筒外部之间的连通的第一线绳可控阀，以及多个第二线绳致动阀，其中每个第二线绳致动阀与第一线绳致动阀相关联，并且每个第二线绳启动阀有效地隔离所述第一阀上游的所述井筒内部的一部分与所述第一阀下游的所述井筒内部的一部分，其中最初所有第一线绳可控阀都关闭，并且所有第二线绳可控阀都打开；

在所述井筒的所述趾部和最靠近所述井筒的所述趾端的所述第一线绳可控阀之间在所述井筒的所述趾端附近从所述井筒提供裂缝；

打开所述第一线绳可控阀，并且关闭最靠近所述井筒的所述趾端的所述第二线绳可控阀；

通过所述打开的第一线绳可控阀，向所述地下地层中提供裂缝；

打开第二最靠近所述趾端的所述第一线绳可控阀，并且关闭第二最靠近所述趾端的第二线绳可控阀；和

通过第二最靠近所述趾端的所述打开的第一线绳启动阀，向所述地下地层中提供裂缝。

2.根据权利要求1所述的方法，其中进一步包括以下步骤：继续打开第一线绳可控阀，关闭第二线绳可控阀，并为每组连续的第一和第二线绳可控阀提供裂缝，直到已通过所述第一线绳可控阀中的每个提供裂缝。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述线绳可控阀由线绳翻转工具操作。

4.根据权利要求所述的方法，其中所述第二线绳控制阀是止回阀，所述止回阀允许流动从所述井的所述趾端经过到所述愈合端，但是当关闭时，防止流动从所述井的所述愈合端到所述趾端。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二线绳可控阀是挡板阀，当关闭时，所述挡板阀密封所述井筒的横截面。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二线绳控制阀包括在井筒条件下降解的材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一线绳可控阀是滑动阀，所述滑动阀覆盖位于所述阀的圆周的端口。

8.根据权利要求1所述的方法，其中第一线绳可控阀和第二线绳可控阀组的数量在十和一百之间。

9.根据权利要求3所述的方法，其中所述线绳冲击工具放置在所述井筒中，其中水泥后面的水泥塞沿所述套管向下并沿所述套管和井筒之间的环形空间向上泵送，以沿所述井筒提供层间隔离。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述井筒的所述趾端附近的所述裂缝是通过由所述线绳冲击工具打开的线绳可控套筒阀提供的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述井的所述趾端附近的所述裂缝是从所述井筒的开孔部分在所述套管的所述端部形成的。

12.根据权利要求3所述的方法，其中所述线绳冲击工具移动经过每组第一线绳可控阀和第二线绳可控阀，改变每个阀的位置，在每个断裂的提供之间，并保留在所述井筒中在最近移动的一组线绳可控阀和下一组线绳可控阀之间，同时提供下一个裂缝。

13.一种提供压裂的地下地层的方法，其包括：

提供从地表位置到所述地下地层的在所述地下地层内从愈合端到趾端的井筒；

在所述井筒内提供套管，其中所述套管包括多个有效地提供所述井筒内部和所述井筒外部之间的连通的第一线绳可控阀，以及多个第二线绳致动阀，其中每个第二线绳致动阀与第一线绳致动阀相关联，并且每个第二线绳启动阀有效地隔离所述第一阀上游的所述井筒内部的一部分与所述第一阀下游的所述井筒内部的一部分，其中最初所有第一线绳可控阀都关闭，并且所有第二线绳可控阀都打开；

在所述井筒的所述趾端和最靠近所述井筒的所述趾端的所述第一线绳可控阀之间在所述井筒的所述趾端附近从所述井筒提供裂缝；

打开所述第一线绳可控阀，并且关闭最靠近所述井筒的所述趾部的所述第二线绳可控阀；

通过将比重为至少二的砂浆水泥浆放置在所述井筒中并允许所述砂浆浆料的静水压头传播裂缝，通过所述打开的第一线绳可控阀向所述地下地层中提供裂缝；

打开第二最靠近所述趾部的第一线绳可控阀，并且关闭第二最靠近所述趾部的第二线绳可控阀；和

通过第二最靠近所述趾端的所述打开的第一线绳启动阀，向所述地下地层中提供裂缝。

14.根据权利要求13所述的方法，其中进一步包括以下步骤：继续打开第一线绳可控阀，关闭第二线绳可控阀，并为每组连续的第一和第二线绳可控阀提供裂缝，直到已通过所述第一个线绳可控阀的每个提供裂缝。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述线绳可控阀由线绳翻转工具操作。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二线绳控制阀是止回阀，所述止回阀允许流动从所述井的所述趾端经过到所述愈合端，但是当关闭时，防止流动从所述井的所述愈合端到所述趾端。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述线绳可控阀由线绳翻转工具操作。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二线绳控制阀是止回阀，所述止回阀允许流动从所述井的所述趾端经过到所述愈合端，但是当关闭时，防止流动从所述井的所述愈合端到所述趾端。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二线绳可控阀是挡板阀，当关闭时，所述挡板阀密封所述井筒的横截面。

20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二线绳控制阀包括在井筒条件下降解的材料。