CN117651797A - 脉动压力压裂 - Google Patents

Abstract

一种用于提供井眼的脉动压裂的方法和设备，该方法和设备使用定时和/或爆炸性质的组合提供压力脉动，从而产生形成人工裂缝所需的压力。该方法和设备包括：降下具有多个起爆器的至少一个模块，其中多个起爆器设置在至少一种推进剂内；将该至少一个模块定位在井眼中的期望位置处；以依次提高的压力按序点燃多个起爆器，以在井眼内形成压力脉动。

Description

脉动压力压裂

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月17日提交的美国临时申请No.63/212,076的优先权。

背景技术

一般而言，当完成用于从地下储层生产流体、矿物或气体的地下井时，作为钻井、勘探和完井过程的一部分，会在井下放置几种类型的管件。这些管件可以包括套管、导管、管线、内衬，和通过各种类型的管件向井下输送的装置。每口井都是独一无二的，因此可以出于多种目的将不同管件的组合放置到井下。

井表下或地层下的井穿过一个或多个地层。地层(formation)是包含一种或多种成分的岩石体或岩层。地层被视为连续体。地层内可能存在碳氢化合物沉积物。通常，从地面位置钻一个井眼，从井眼打孔至目标地层中。完井设备(包括套管、导管和其它需要用到的井下设备)将到位。用射孔枪对套管和地层进行射孔是本领域中公知的用于从井眼到达地层内的碳氢化合物沉积物的方法。

使用聚能装药(shaped charge)对地层进行爆炸射孔是一种众所周知的油井完井的方法。聚能装药是一种装置的技术术语，该装置在引爆时产生聚焦输出、高能量输出和/或高速射流。这在一定程度上是通过炸药的几何形状结合相邻的内衬实现的。一般而言，聚能装药包括金属壳体，该金属壳体内容纳有凹形爆炸性材料，该金属壳体内表面有一层薄金属内衬。许多材料可用于内衬，其中包括一些比较常见的金属包括黄铜、铜、钨和铅。当炸药引爆时，内衬金属被压缩成超高热的超高压射流，可以穿透金属、混凝土和岩石。射孔装药通常成组使用。这些射孔装药组通常在称为射孔枪的组件中固定在一起。射孔枪有多种类型，如条形枪、装药座式射孔枪、端口塞枪和一次性空心托架枪。

射孔装药通常由在每个装药壳体顶部的起爆孔附近的导爆索引爆。通常，导爆索终止于射孔枪的端部附近。在这种布置中，位于射孔枪一端的起爆器可以引爆枪中的所有射孔装药，并持续向枪的相对端部进行弹道转移。通过这种方式，可以将许多射孔枪首尾相连，仅用一个起爆器引爆所有相连的射孔枪。

导爆索通常由发射头触发的起爆器引爆。发射头可以以多种方式致动，包括但不限于电子、液压和机械方式。

一次性空心托架射孔枪通常由标准尺寸的钢管制成，该钢管的盒端部在每一端都具有内螺纹/母螺纹。具有公螺纹/外螺纹的销端适配器或接头通过螺纹与枪的一端或两端连接。这些接头可以将射孔枪连接在一起，将射孔枪连接到其他工具(如设置工具和套环定位器)，并将发射头连接到射孔枪。接头通常容纳有电子、机械或弹道部件，用于激发或以其他方式控制射孔枪和其他部件。

射孔枪通常具有圆柱形枪体和装药管或装载管，该装药管或装载管用于装载射孔装药。枪体通常由金属构成，并且是圆柱形的。装药管可以制成管状、条状或链状。装药管包含有称为装药孔的切口，用于容纳聚能装药。

通常优选的是缩短引入井眼中的任何工具的总长度。在其他潜在的好处中，减少的工具长度缩短了在压力下将工具引入井眼所需的润滑器的长度。此外，还需要缩短工具长度，以适应大斜度井或水平井中的转弯。通常还优选的是减少必须在井场进行的工具组装，因为井场通常是恶劣的环境，对现场工人有许多干扰和要求。

电起爆器通常用于石油和天然气产业，用于在井下引爆不同的高能装置。最常见的是使用50欧姆的电阻起爆器。其他起爆器和电子开关配置也是常见的。

在由电线输送的垂直井中的常规射孔或水平井中的非常规射孔过程中，井下工具串中的一支或多支射孔枪通过以下一种或多种定向方法进行定向：机动定向工具、偏心配重杆和自定向装药管组件。

发明内容

根据一示例性实施例，提供了一种压裂井眼的方法，该方法包括：降下具有多个起爆器的至少一个模块，该多个起爆器设置在至少一种推进剂内；将该至少一个模块定位在井眼中的期望位置处；在第一预定时间点燃第一起爆器，其中所形成的灼烧在井眼中产生第一压力；在第二预定时间点燃第二起爆器，其中所形成的灼烧在井眼中产生高于第一压力的第二压力；以及在第三预定时间点燃第三起爆器，其中所形成的灼烧在井眼中产生高于第三压力的第三压力；其中第一压力、第二压力和第三压力被顺序地激活以形成压力脉动。

示例性实施例的一个变型可包括第一预定时间、第二预定时间之间的间隔，以确定所产生的第二压力。第一预定时间、第二预定时间和第三预定时间之间的间隔可确定所产生的第三压力。推进剂可以是第一推进剂、第二推进剂和第三推进剂。第一推进剂性质可以确定第一压力。第二推进剂性质可以确定第二压力。第三推进剂性质可以确定第三压力。该实施例可以包括设置桥塞。多个起爆器可以包括具有火花隙的电极。推进剂可以是液体推进剂。

根据一示例性实施例，提供了一种用于压裂井眼的设备。该设备包括容纳至少一种推进剂的壳体和嵌入推进剂中的多个起爆器。其中，起爆器按定时顺序引爆，以在至少一个井眼裂缝中形成多个压力尖峰，其中多个起爆器适于引爆一系列的压力尖峰，每个随后的压力尖峰产生比前一压力尖峰更高的压力，从而产生压力脉动。

示例性实施例的变型可包括：推进剂是液体推进剂。推进剂可以是多个推进剂部分。推进剂可以是多个推进剂部分。多个推进剂部分中的每一个可以具有多个起爆器中的至少一个专用的起爆器。多个推进剂部分中的至少一个可以是黑火药基推进剂。多个推进剂部分中的至少一个可以是硝酸盐基推进剂。该实施例可以包括耦接到壳体的桥塞设置工具。该实施例可以包括将壳体电连接到控制器的电缆，其中壳体设置在井眼内，控制器位于地面。多个起爆器中的每一个可以包括具有火花隙的电极。

附图说明

为了全面理解示例性实施例，下面结合附图对优选实施例进行详细描述，其中附图标记在附图的几幅图中表示相同或相似的元件。简而言之：

图1示出了电引爆液体推进剂的示例性实施例。

图2示出了布置在井眼中的脉动压力压裂装置的示例性实施例。

图3示出了压力随时间变化的脉动压力压裂的效果的示例性实施例。

图4示出了混合高能脉动压力压裂装置的示例性实施例。

图5示出了压力随时间变化的混合脉动压力压裂的示例性实施例。

具体实施方式

在以下描述中，为了简洁、清楚和示例，使用了某些术语。其中并不意味着任何不必要的限制，并且这些术语仅用于描述性目的，并旨在被广泛地解释。本文所述的不同装置、系统和方法步骤可以单独使用，或者与其它装置、系统和方法步骤组合使用。可以预期的是，在所附权利要求的范围内，各种等同物、替代物和修改都是可能的。

如助推器的术语可能包括装有次级高爆炸药的小金属管，该高爆炸药压接在导爆索的端部。爆炸部件设计为在射孔枪或其他爆炸性装置之间提供可靠的爆炸传递，并且通常用作辅助炸药以确保引爆。

导爆索是包裹在柔性外壳中的含有高度易爆材料的绳索，用于将雷管连接到主要的高爆炸药上，如聚能装药。这提供了非常快速的起爆序列，可以用来同时点燃多个聚能装药。

雷管、起爆器或引爆装置可以包括含有初级高度易爆材料的装置，用于引爆爆炸序列，并且包括一个或多个聚能装药。两种常见类型可包括电雷管和撞击雷管。雷管可以称为起爆器。电雷管具有引信材料，当施加高电压以引爆初级高爆炸药时，该引信材料会燃烧。撞击雷管在由撞针引爆的密封容器中装有磨料和初级高爆炸药。撞针的冲击力足以启动弹道序列，然后传送到导爆索。

起爆器可用于引爆射孔枪、切割器、设置工具或其他井下高能装置。例如，使用切割器以集中的能量切割管件。设置工具使用烟火产生气体，以在井下工具中进行作业。使用起爆器的任何井下装置都可以适应使用本文公开的模块化起爆器组件。

在非常规井中常见的地层的低渗透性使得碳氢化合物无法在地层中自由流动，从而导致碳氢化合物难以开采。因此，水力压裂方法通常用于这些非常规井的完井。水力压裂的目的是人为地破坏或压裂地层，为碳氢化合物更容易地流入井眼创造新的通路。当人工裂缝与岩层中的天然裂缝连接时，水力压裂是最有效的。一旦人工裂缝形成，压裂支撑剂被泵入裂缝中，以在裂缝进一步生长时保持裂缝张开。

破裂压力是压裂地层所需的压力。它与地层的抗压强度紧密相关。弯曲度是衡量人工裂缝与天然裂缝连接难度的指标。泵送压力必须克服弯曲度以便使地层破裂，从而产生更高的处理压力。水力压裂作业是完井过程中最昂贵的步骤之一。在水力压裂过程中，可以布置20台泵车。此外，该作业需要大量的水和沙子的支持。与调动、燃料、维护、劳动力等相关的操作成本很高，这增加了作业成本并影响了油井的经济效益。

水力压裂过程可简化为以下步骤：(1)破坏地层以产生人工裂缝，(2)使裂缝生长以与地层中的天然裂缝连接，以及(3)通过用介质填充裂缝以保持裂缝张开。

推进剂由在燃烧期间产生压力的高能材料组成。压力推进剂可以用作由地面上的水力压裂车产生的压力的替代物。通常，推进剂被燃烧以产生单次压力波动或以保持持续的压力。

推进剂装置可以提供脉动压力输出。脉动压力压裂装置(Pulsed PressureFracking Device，PPFD)的前提是地层上的循环加载将更有效地破坏地层，以及使形成的人工裂缝生长。该方法类似于建筑中用于破碎岩石或混凝土的凿岩锤式效应。虽然传统的压裂仍需要使用PPFD，但是对马力的要求应该显著降低，破裂压力应该减小或消除，并且弯曲度应该减少或消除。此外，地层中更有效的裂缝网可以提高油井产能。

如图1所示的示例性实施例提供了一种电启动液体推进剂PPFD系统10，其中推进剂14容纳在PPFD模块17中。推进剂14可以是液体推进剂。推进剂14可使用点火器15电点燃，示例性点火器可包括具有火花隙16的多个电极15。多个电极15放置在液体推进剂14内。使用信号线12单独控制电极，使得当从控制器11向电极15施加电力时，液体推进剂14在电极15附近局部启动。结果，会出现局部压力波动。通过向单个电极或依次向电极组施加电力，可以产生一系列的压力脉动。

使用PPFD的方法的示例性实施例可包括在桥塞和射孔作业期间实现PPFD效果，随后是常规的水力压裂。如图2所示，带有点火器13的PPFD模块17可通过在井25处的电缆车布置。PPFD模块17使用电缆26定位于井眼27内。地层28存在天然裂缝24。至少一个PPFD模块17布置在桥塞和射孔工具串上。首先，设置桥塞22，然后发射至少一个射孔枪以产生射孔29。接着，启动PPFD模块17以产生人工裂缝23。可以使用多个PPFD模块。单个或多个PPFD可以在所有射孔枪都已发射之后启动。然后，将工具串收回到地面，并且可以进行常规的水力压裂。

如图3所示，脉动压力压裂装置使用多个起爆器或点火器以产生多个压力尖峰31、33和35。相对于时间30的压力函数上升到初始压力尖峰31，然后压力下降到第一波谷32，然后根据命令或预先计划的，第二起爆器启动，产生压力尖峰33。所示的压力脉动由压力尖峰31、33和35与压力波谷32、34和36之间交替产生，以冲击地层并继续将总压力函数30提升到更高。

如图4所示的示例性实施例提供了一种混合高能PPFD40，其中在PPFD40内结合使用了多种高能材料45。每种高能材料的区别特征是燃烧速率、爆燃速率或爆轰速度。由于燃烧速率的不同，可以产生不同速率的压力输出，从而产生脉动作用。一种产生混合高能PPFD的方法可包括层压不同高能材料层。例如，可以制作分层装置，其中第一层(和层n)是一种慢速燃烧的硝酸盐基推进剂41；随后的一层(和层n+1)是快速燃烧的黑火药组合物42，随后是另一种慢速燃烧的硝酸盐基推进剂43，再随后是黑火药44，从而产生慢-快-慢-快的燃烧反应。这反映在图5中，其中压力函数50以不同的速率增加。硝酸盐基推进剂51和53的压力积聚速度比黑火药基推进剂52和54慢。在该实施例中，压力幅度可以由每层的质量控制，并且脉冲发生器的频率由每层的长度控制。虽然在本说明书中，燃烧反应是通过层自传播的，但是替代方法可以使用电引爆器根据需要启动每一层。

在这些实施例中，电控制器可以用于控制引爆序列，从而控制所施加的压力的频率和幅度。控制系统可以是井下装置或在地面上。

此外，反馈系统可以结合到控制系统中，以结合井响应调整脉冲频率和幅度。反馈系统可以包括压力、被泵入井中的刺激性流体的流量、温度等。反馈系统可以是井下装置或地面装置。

使用PPFD方法可以包括在桥塞和射孔作业期间实现PPFD效果，随后进行常规的水力压裂。至少一个PPFD配置在桥塞和射孔工具串上。首先，设置桥塞，然后至少发射一个射孔枪。接着，启动PPFD。可以使用多个PPFD。单个或多个PPFD可以在所有射孔枪都已发射之后启动。然后，将工具串收回到地面，并且可以进行常规的水力压裂。

使用PPFD的一种方法，可以包括在常规的水力压裂之前，在桥塞和射孔作业之后实现PPFD效果。单个或多个PPFD被布置到井级中并被启动。设备可以被恢复或不可以被恢复。接着，可以进行常规的水力压裂。

使用PPFD的一种方法，可以包括在水力压裂过程中实现PPFD效果。PPFD布置在井下，并且在水力压裂车正在作业并对井加压时启动。此外，如果PPFD的有效性高，则可能不需要进行水力压裂。在这种情况下，支撑剂和刺激性流体将在地层破裂之后被泵入井中。

尽管已经根据详细阐述的实施例描述了示例性实施例，但是应当理解，这只是举例说明，并且示例性实施例不必限于此。例如，术语诸如上部和下部、或顶部和底部可以分别用井口和井下代替。顶部和底部可以分别是左侧和右侧。井口和井下可以在图中分别显示为左侧和右侧，或者分别显示为顶部和底部。通常，井下工具最初以垂直方向进入钻孔，但由于一些钻孔以水平方向结束，工具的方向可能会改变。在这种情况下，井下、下部或底部通常是指在相对于进入井眼的工具串中的部件在进入被称为井口、上部或顶部的部分之前。第一壳体和第二壳体可以分别是顶部壳体和底部壳体。在如本文所述的枪串中，第一枪可以是井上枪或井下枪，第二枪亦如此，并且井上或井下参考可以互换，因为它们仅用于描述各种部件的位置关系。井眼、钻孔、井、井筒、油井等术语和其他替代物可以作为同义词使用。工具串、工具、射孔枪串、枪串或井下工具等术语以及其他替代物可以作为同义词使用。基于本公开，替代实施例和操作技术对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。因此，在不背离要求保护的示例性实施例的精神的情况下，可以对示例性实施例进行修改。

Claims (20)

1.一种井眼压裂方法，包括：

降下具有多个起爆器的至少一个模块，所述多个起爆器设置在至少一个推进剂内；

将所述至少一个模块定位在所述井眼中的期望位置处；

在第一预定时间点燃第一起爆器，其中所形成的灼烧在所述井眼中产生第一压力；

在第二预定时间点燃第二起爆器，其中所形成的灼烧在所述井眼中产生高于第一压力的第二压力；以及

在第三预定时间点燃第三起爆器，其中所形成的灼烧在所述井眼中产生高于第三压力的第三压力；其中所述第一压力、所述第二压力和所述第三压力按序启动以形成压力脉动。

2.根据权利要求1所述的压裂井眼的方法，其中，所述第一预定时间与所述第二预定时间之间的间隔确定所产生的所述第二压力。

3.根据权利要求2所述的压裂井眼的方法，其中，所述第一预定时间、所述第二预定时间和所述第三预定时间之间的间隔确定所产生的所述第三压力。

4.根据权利要求1所述的压裂井眼的方法，其中，所述推进剂是第一推进剂、第二推进剂和第三推进剂。

5.根据权利要求4所述的压裂井眼的方法，其中，所述第一推进剂性质确定所述第一压力。

6.根据权利要求4所述的压裂井眼的方法，其中，所述第二推进剂性质确定所述第二压力。

7.根据权利要求4所述的压裂井眼的方法，其中，所述第三推进剂性质确定所述第三压力。

8.根据权利要求1所述的压裂井眼的方法，还包括设置桥塞。

9.根据权利要求1所述的压裂井眼的方法，其中，所述多个起爆器包括具有火花隙的电极。

10.根据权利要求1所述的压裂井眼的方法，其中，所述推进剂是液体推进剂。

11.一种用于压裂井眼的设备，包括：

容纳至少一种推进剂的壳体，以及

嵌入所述推进剂中的多个起爆器，其中，所述起爆器定时按序引爆，以在至少一个井眼裂缝中引起多个压力尖峰；其中，所述多个起爆器适于引爆一系列的压力尖峰，每个随后的压力尖峰产生比在前压力尖峰更高的压力，从而产生压力脉动。

12.根据权利要求11所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述推进剂是液体推进剂。

13.根据权利要求11所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述推进剂是多个推进剂部分。

14.根据权利要求13所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述推进剂是多个推进剂部分。

15.根据权利要求14所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述多个推进剂部分中的每一个具有所述多个起爆器中的至少一个专用起爆器。

16.根据权利要求15所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述多个推进剂部分中的至少一个是黑火药基推进剂。

17.根据权利要求16所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述多个推进剂部分中的至少一个是硝酸盐基推进剂。

18.根据权利要求11所述的用于压裂井眼的设备，还包括耦接到所述壳体的桥塞设置工具。

19.根据权利要求11所述的用于压裂井眼的设备，还包括将所述壳体电连接到控制器的电缆，其中，所述壳体设置在井眼内，并且所述控制器位于地面。

20.根据权利要求11所述的用于压裂井眼的设备，其中，所述多个起爆器中的每一个包括具有火花隙的电极。