CN1268207A - 透镜状天然气地层的激发 - Google Patents

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Abstract

一种用于激发矿井(30)开采率的方法,矿井(30)在具有透镜状沉积物(11)特征的天然气储藏区(10)中钻出。把钻出矿井(30)的储藏区厚度分成许多多段区(61),多段区(61)再分成几个单段区(62A,62B)。每个单段区(62A,62B)被穿孔,然后被压裂。在许多段(64)中进行压裂,顺序地压裂多段区(61)内每个单段区(62A,62B);用密封球(66)隔离压裂段(64)。还可控制井的相隔面积来与裂缝引流面积和透镜状沉积物(11)尺寸相符合。

Description

透镜状天然气地层的激发
                      发明领域
本发明涉及了激发具有透镜状含气地层特征的天然气储藏区的开采。更具体地说，本发明涉及了采用密封球的优化开采方法，多段压裂已适当相隔的各个井和已穿孔的各个区。
                      发明背景
水力压裂是激发地下含碳氢化合物地层开采的已知技术。在常见的操作中，在靠近地层的一个井孔的一个间隔上穿孔，并且用泵把压裂液体压入地层，其压力足以使地层同时沿着离开井孔的横向和沿着井孔长度的垂直方向产生裂缝。通常把如砂石或铝矾土的支撑料与压裂液体混合，以便进入裂缝并且一旦压力降低时保持裂缝张开。这种作业提高了地层的开采率，从而也增加了碳氢化合物的生产率。
水力压裂已成功地应用于多种类型的碳氢化合物地层，特别是渗透性低的储藏区，它要求进行激发来加速开采率，达到可以节省地开发储藏区的流速。偶尔，不得不修改常规的压裂技术来激发一个储藏区。例如，有些储藏区具有许多含碳氢化合物的地层，它们沿着井孔的长度方向垂直地堆积，并且被基本上不渗透的、不含碳氢化合物的地层分开。已经开发了可使每个地层连续压裂的技术。采用临时的措施来封闭相邻于已压裂地层的穿孔，同时在同一地层或另一地层中的不同深度上进行下一个压裂作业。采用如桥式栓塞和压实器的机械装置来隔开作业区，最近，已采用便宜的密封球来进行多区压裂。
虽然水力压裂技术已发展到可以节省地开采许多低渗透性的碳氢化合物地层，但某些类型的天然气储藏区仍难以节省地压裂开采；具体地说，该储藏区的特征在于：在有限地域范围内具有不连续的透镜状含气砂石沉积物。这些透镜状的砂石往往也是“紧密”的，这意味着它们具有低或极低渗透性的特征。这种紧密气体储藏区的主要例子是美国西部Rocky山区中的各个盆地(Greater Green River、Piceance、Wind River和Uinta)，它们在厚地层中包含着无数的透镜状紧密气体砂石。这四个盆地已被断定是美国最大的未开发气体资源，包括多达227×1012立方米(8000×1012立方英尺)的可采收气体。这些巨大的气体资源基本上保持未开发状态，因为至今尚无开发这些资源的节省方法。
对于开发具有紧密透镜状气体沉积物地层的压裂技术，已经引起了众多的注意。由于可采收气体的巨大储备基地，美国能源部、政府和私人研究室、大学和私人部门均已进行了大量的研究，试图开发压裂技术来节省地开采透镜状地层。至今，这些努力基本上未取得成功。
开始试图进入紧密透镜状地层的方法是核激发。在该计划下，在大直径的井孔内引爆了核爆炸装置，在爆炸周围区域中产生了大的枝状裂缝区。这种试验的最大一次是在科罗来达州Rio Blanco附近一个透镜状气体地层中的核爆炸，威力相当于90,000吨的炸药。除了与核激发有关的明显的环境、健康和安全问题之外，该试验在释放大量储存气体方面没有成功。对爆炸压裂缺乏控制和随后枝状裂缝的闭合，使得核激发计划远未达到预计的气体激发结果。
在1970年代初，选用于激发紧密透镜状气体地层的下一个方法是一个新的过程，称为大量水力压裂(MHF)，它设想采用非常大量的压裂液体和支撑料来建立一条非常长的裂缝，长度达1.6公里(1英里)或以上。在能源部的主持下，联合的工业财团在Rio Blanco区域试验了MHF作业。为了说明这个计划，在MHF试验期间，一个裂缝作业把398,250kg(878,000磅)的砂支撑料喷射到一个28m(91英尺)的地层区段内。尽管该MHF产生了约564m(1,850英尺)的动态裂缝长度和约267m(875英尺)的被支撑裂缝长度，在开采30天之后最终的被激发气体流率仅为3,880标准立方米/天(137千标准立方英尺/天)。(这里所用的术语“动态裂缝长度”是指双翼裂缝的一个翼的长度，它从井孔到由压裂液体产生的一个裂缝顶端为止，而术语“被支撑裂缝长度”，或简称“裂缝长度”，是支撑料从井孔开始达到的距离。)在Rio Blanco试验期间，采用各种MHF规模激发了5个区域。被激发的开采水平低到令人失望，通常小于5,600立方米/天(200千标准立方英尺/天)，压裂后看到的最高开采率是约6,230立方米/天(220千标准立方英尺/天)；远低于开采一年后约42,500立方米/天(1,500千标准立方英尺/天)的所希望的流率，这个流率是达到节省地开采上述矿井所需的流率。
与Rio Blanco计划无关，在1970年代末，在激发透镜状重油地层中取得了多段压裂技术的提高[“委内瑞拉Maracaibo湖中沥青深井和浅井的激发”，世界石油会议，1979年，布加勒斯特，罗马尼亚，P.D.7(1)(WPC报告)]。利用密封球转向器来达到该技术的提高。WPC报告说明了完善带有有限穿孔层的矿井，能使压裂的每一段张开一个单独的裂缝，裂缝仅与一组穿孔相连通。已经发现，裂缝作业的每一段张开约30米(100英尺)的垂直区。采用在每3m(10英尺)上每米打3个孔(每英尺1个)的低穿孔密度，并结合在适当时间释放密封球，容许激发被一个给定矿井穿透的所有油砂石。虽然WPC报告讨论了重油透镜状地层的多段压裂，但它没有提到根据油砂石尺寸、分布和位置来控制裂缝传播的方法或技术。由于这些油砂石具有1-100mD范围的高渗透性，它们的激发并不精确地相应于紧密气体储藏区(其特征是具有如砂石矿体的透镜状沉积物)的激发开采。事实上，WPC报告建议，如果采用便宜的高渗透性支撑料来替代砂子，则较长的裂缝可使油砂石得到更大的激发。但是，如上所述，在透镜状砂石的紧密气体储藏区中，很长的MHF裂缝不能达到所希望的结果。
Rio Blanco计划的失败导致了在1980年代的多井试验计划(MWX)，它明确地研究了水力裂缝的形状和液流能力，试图提高气体激发的效益。MWX包括三个井孔，在总深度上相隔约46m(150英尺)，因此其中两个井孔可用于密切观察和监测在第一个井孔中所作的压裂作业。MWX井中的大多数压裂喷射是小到中等规模，因而监测井可以敏感到整个压裂区的信号。(例如，在一个试验中，被支撑裂缝长度仅为65m(214英尺)左右。)该工作导致这样的结论：在这些紧密气体砂石中形成的水力裂缝没有内在的错误，也就是说，裂缝长度、宽度和高度均是预计的尺寸。
接在MWX计划之后在同一地点进行了M-地点计划，它继续测量水力裂缝参数，直到1996年底为止。在这整个时间中，致力于提高现有技术来更节省地开采Rocky山区的透镜状砂石。如在SPE报告35,630[“开采大量堆积透镜状砂石的先进技术”，1996年4月28日]中所述，先进的激发技术和与天然裂缝的相交，结合加密矿井的开展，可以开扩大量开采紧密透镜状砂石的前景。该报告建议把一个井遇到的透镜状砂石分成91到152m(300到500英尺)大间距的一系列单元。在610+m(2000+英尺)的饱和气体区中，对于一个典型的矿井可以有4到7个这样的单元。该报告的分析结论为：完善在多区域中的矿井与增加开采率有很大关系。
为了开展加密的矿井，SPE35,630建议：较密的矿井相隔面积会增加总的气体采收率，例如，注意到每个井具有40英亩的相隔面积时，在16个井中有12个井仍穿透单独的砂石矿体，也就是说，对于邻近井的砂石，没有或者仅有有限的干扰或连通。这有限干扰的产生是由于透镜状砂石的平均地域范围(它与SPE35,630中评估的矿井连通)仅约22英亩。但是，即使采用多区域压裂和加密钻探，具有40英亩相隔面积钻出的矿井具有的原始气体采收率仍仅为26％。因此，采用SPE建议的方法，仍有约四分之三的原始气体未被采收。虽然SPE报告建议把矿井相隔面积减到20英亩，可以进一步提高采收率，但它没有公布控制激发技术来捕获更大量原始气体的方法，或者激发技术与矿井相隔面积之间的关系。因此，需要一种矿井激发方法，用于显著提高具有紧密透镜状气体沉积物特征的储藏区开采率，使得它们成为可以大量开采的气体矿区。
                      发明概述
本发明提出一种方法，用于激发具有透镜状含气沉积物特征储藏区中钻井的开采。在沿着储藏区厚度方向相隔开的许多单段区中对矿井穿孔。最好是，把储藏区厚度(通过该厚度矿井被钻探和穿孔)分成许多个多段区，每个多段区具有两个或两个以上的单段区。然后在多个段中进行压裂来使矿井产生裂缝，使得顺序地压裂各个单段区(在一个多段区内)；每个压裂段由密封球隔开。控制压裂过程来建立这样的横向裂缝：它们引流的面积近似于多段区附近透镜状含气沉积物的平均水平面积。在一个优选实施例中，横向裂缝的总长度近似于透镜状沉积物的平均直径。
在本发明的一个实施例中描述了一种方法，用于开发具有透镜状含气沉积物特征的储藏区。在这个实施例中，在储藏区中钻出的每个井被如上所述方式穿孔和压裂。在钻探、穿孔和压裂过程中，继续在储藏区中补充矿井，把各井隔开成使得在每个井周围储藏区中的水平截面积不小于沿井长度各横向裂缝的近似平均引流面积。在一个优选实施例中，在每个井周围储藏区中的截面积大致等于沿井长度各横向裂缝的近似平均引流面积。在典型的Rocky山区盆地，井周围的面积在约40,000到122,000平方米(10到30英亩)之间。
在开发储藏区的另一个实施例中，在每个井周围储藏区中的水平截面积不小于透镜状含气沉积物的近似平均截面积，并且控制横向裂缝延伸到每个井附近的透镜状沉积物中。对于这个实施例，最好使每个井周围储藏区中的截面积大致等于含气沉积物的近似平均水平截面积。同样，井周围的典型面积也在约40,000到122,000平方米(10到30英亩)之间。如果各裂缝的近似平均引流面积基本上不超过透镜状沉积物的平均截面积，这在实施例中也是更可取的。
对于上述本发明的所有主要实施例，均具有进行穿孔和压裂技术的优选方法。在对矿井穿孔时，最好在单段区的近似几何中心对单段区穿孔。对于压裂，优选的压裂液体是非牛顿液体，如交联的胶态水。也希望产生的裂缝高度近似等于单段区的相应垂直长度。如果已知裂缝方向，也最好使裂缝总长度近似于透镜状沉积物的平均长度，即沿裂缝方向横跨透镜状沉积物的水平距离。
                     附图简述
图1是包括透镜状沙石矿体的一个地下天然气储藏区垂直截面示意图；
图2是一个天然气储藏区中一个井孔和一个已压裂层的垂直截面示意图；
图3是一个井和一个天然气储藏区的垂直截面示意图，储藏区已采用本发明方法来压裂；
图4A-4E是被井孔穿透的三个截面(一个裂缝和两个砂石矿体)的一系列平面示意图，它们描绘了本发明的各种实施例；
图5A-5C是按照本发明方法穿孔的井孔壁的一系列垂直截面示意图；
图6是表示裂缝高度与作业用量之间关系的数据曲线图；
图7是表示穿孔层相隔距离与平均矿体尺寸之间关系的数据曲线图；
图8A-8C是采用本发明实施例正在压裂的井孔和地层的一系列垂直截面示意图；
图9是地层的一个隔层的垂直截面示意图，它已采用本发明方法压裂；
图10A和10B是部分剖面的两个视图，采用本发明的一个实施例在储藏区中设置了各个井孔。
                     本发明详述
由于显著增加了在储藏区中原始气体的采收率，本发明的方法能够大量开发天然气储藏区，该储藏区的特征是在厚地层中具有无数透镜状的含气沉积物。该方法应用了可控的密封球多段压裂技术，它被设计成：把由支撑裂缝建立的矿井引流面积与透镜状含气沉积物的近似水平面积相符合。在本发明的一个优选实施例中，许多已钻探和压裂的井达到的矿井相隔面积不小于含气沉积物的平均近似面积。可以设想，在预计的单井使用寿命(10-15年)期间，采用本发明方法充分开发的天然气储藏区能够采收大部分原始气体。
在本发明方法中，多段压裂技术对尽量扩大气体储藏区的开采是很重要的。虽然方法主要是达到紧密透镜状含气砂石(通常在美国Rocky山区发现)的经济开采，但它也可以用于开发具有类似特征的其它含气沉积物类型。例如，含有煤和沼气的煤层也可以用本发明的方法来开采。实际上，本发明的方法可以开发任何天然气储藏区，其中天然气被捕获在分布于地层中的堆积而不连续沉积矿床内。因此，作为本技术说明和专利要求中所用的术语“透镜状”是指包含天然气的任何不连续矿床、矿穴、矿层或沉积物，而不仅是由Rocky山区盆地代表的透镜形状的河流砂石。
术语“储藏区”也广泛用于本技术说明和专利要求的上下文中，其中它一般用于油和气工业中，但也可用于开采目标区域的上下文中。例如，储藏区可以是保持矿产的较大储藏区的一部分，或者它可以代表储藏区内的“有利点”，其中气体储量可以最节省地开采。或者是，储藏区可包含许多分离的碳氢化合沉积物，它们以相互很接近的方式聚在一起，如上述的透镜状含气砂石，而不管这种沉积物是否有类似的地质起源。对于本发明的用途，术语“储藏区”可意味着待开发的任何地下气体沉积物或其一部分。
特别参照附图，图1说明了一个天然气储藏区10的垂直截面，它包含着全世界均可发现的通常堆积的透镜状砂石沉积物11。砂石矿体11具有不同的形状和尺寸，并在储藏区10内具有不同的方向。古代河床流动的变迁与地质上升的结合，造成了广泛散布的不连续砂石矿体阵。储藏区的上边界12和下边界13确定了储藏区的厚度，通常为150m到1,220m(500英尺到4,000英尺)。在Rocky山区的盆地Piceance、Green River和Uinta中，这些储藏区的上边界通常在地面之下约1,830m(6,000英尺)到3,050m(10,000英尺)深度上发现。因此，与世界上其它天然气地层相比，这些储藏区属于中等深度。但是，它们是非常厚的储藏区，具有沿厚度14散布的堆积透镜状砂石，厚度14一般超过914m(3,000英尺)，通常约1,220m(4,000英尺)。
图1所示的假想边界15和16确定了总储藏区的“有利点”，它被本发明选择作为开采之用。如图1所示，储藏区的该部分17与边界15和16以外部分相比，具有更多的透镜状砂石。边界15左边的部分具有高的矿体密度，但远不及部分17那样厚。边界16右边的部分是厚的，但没有足够高的矿体密度。或者也可以是，由于在该储藏区内的砂石具有较高的渗透性、较好的多孔性、较高的气体饱和性、较大的矿体尺寸，或者使它更适于开发的其它特征，由此可以选择15和16之间的储藏区部分。(地面地形、矿藏边界和其它非储藏区的因素也可以限定可开发储藏区的部分。)本发明的方法用于由上、下边界12和13以及侧向边界15和16界定的储藏区。
图2说明了采用在先前技术描述中前面讨论的大量水力压裂(MHF)技术是如何开采储藏区的。在储藏区10中，特别是在最适于开采的目标区域17中钻了单个矿井20。裂缝22是典型的MHF裂缝，沿横向延伸通过大多数目标储藏区面积。这可能从井孔开始，多达1,525m(5,000英尺)，并且通常被支撑的裂缝长度至少610m(2,000英尺)。但是，如同在大多数MHF裂缝情形一样，裂缝22的垂直高度23只有约30m(100英尺)的量级。
这种结果对大多数常规气体储藏区一般是合适的，因为有生产力的含气沉积矿床通常是比较薄而连续的水平砂石层，沿着垂直和横向MHF均可充分进入。因此裂缝能够激发大部分有生产力的砂石。但是，如图2所示，堆积的透镜状砂石储藏区中MHF造成的裂缝仅贯穿少量百分比的有生产力砂石矿体11。这是因为与散布透镜状砂石的储藏区厚度1,220m(4000英尺)相比，垂直裂缝高度23仅延伸约30m(100英尺)。因此在储藏区10中的大多数砂石矿体11未被MHF过程所激发。
与MHF相反，在本发明中引入的多段压裂系统可进入在矿井引流半径内极的大部分有生产力砂石中。如以下将讨论那样，如果与本文公布的矿井间隔系统相结合，则在储藏区(或其目标部分)中所有钻井的多段裂缝将贯穿储藏区中极大多数的透镜状砂石。
图3说明了一个在储藏区10部分17中钻出的多段压裂矿井，其位置与图2所钻的MHF矿井位置相同。用于本发明的受控多段压裂产生了沿目标储藏区整个厚度均匀分布的一系列双翼裂缝32。熟悉该技术的人员会明白，图3中从井30延伸的裂缝32仅是说明性的，在实际的压裂过程中，可能有更多具有不同形状的裂缝沿径向从井向外延伸，并且裂缝可以具有不同长度的翼。另外，在一个深度上的裂缝可以与或者也可以不与其它相近深度上的裂缝对准。尽管如此，本发明试图产生尽可能均匀的裂缝，图3代表了该过程的一个理想结果。与MHF技术不同，不把裂缝位置设成贯穿特定的有生产力砂石。相反地，各裂缝以近似相等的距离隔开，每条裂缝之间的距离代表了裂缝的垂直高度。在多段井30中的垂直裂缝具有与MHF井中极长裂缝大致相同的垂直高度。因此，如同MHF井的情形，这些裂缝通常具有约30m(100英尺)的垂直高度。
多段裂缝与MHF井明显不同的是被支撑裂缝长度。由于对每一段控制了压裂液体和支撑料的数量，使得裂缝32的长度引流的面积近似于通常在井孔附近储藏区中发现的透镜状砂石11的平均水平面积。换句话说，从井孔沿横向向外延伸的裂缝范围(双翼)所覆盖距离(横向裂缝)最好近似于透镜状砂石的平均直径。因此，与极长的MHF水力裂缝相反，多段裂缝相当短。
在图3中描绘了沿着储藏区厚度均匀隔开的无数短裂缝的总体效果。如图3所说明，裂缝32贯穿了井孔附近的大部分透镜状砂石11。因为裂缝通过整个储藏区厚度14沿井30均匀向下延伸，它们可以非常有效地采收到捕获在透镜状砂石内气体的很大百分比。与可能的采收率比较，以上在图2中描述的典型Piceance盆地MHF矿井在井的寿命期内，将可能引流约0.57×106立方米(0.020到0.030×109立方英尺)。相反，在储藏区同一位置中钻出的如图3所示的单个多段压裂井则可能采收10倍以上的气体。
虽然与多段裂缝井的约30-50条裂缝不同，MHF井仅有一条长裂缝，但MHF井往往在产生其单条裂缝和支撑裂缝张开中消耗更多的支撑料。例如，图2所示类型的MHF井将采用多达约0.91×106kg(3×106磅)的砂支撑料，而在15英亩相隔面积上，多段裂缝井的许多裂缝仅消耗该支撑料量的三分之一左右。
本发明的另一个优选实施例是根据裂缝的方向和储藏区中砂石矿体的方向来修改裂缝的长度。如上所述，基本方法是使得产生出的总裂缝长度近似于储藏区中透镜状砂石的平均直径。但是，砂石矿体的截面一般不是圆的，也就是说，是圆透镜形状。因为其地质演变是从古代河流弯曲形成的河砂，矿体形状可以是椭圆形或矩形，其长度比宽度长得多(或者也可能是更复杂的形状，如马蹄形或飞标形)。
图4A到4E说明了砂石矿体与裂缝方向的各种组合，以及根据这些方向如何优化裂缝的长度。(一般说，在水力压裂的紧密气体矿体中，裂缝的地域引流模式是椭圆形，其双翼裂缝沿着椭圆的主轴。记住这种引流模式，可以很好地理解以下的讨论。)为了简化，在图中仅描绘了两个重叠砂石矿体(即在不同深度上)的俯视图，每个为矩形，其长度等于宽度的4倍。井40位于砂石矿体内的中心，裂缝均具有相同的方向41(左右向)。(虽然其它因素也会影响方向，但裂缝方向一般对准与最小主应力垂直的方向。)
图4A说明了两个砂石矿体42A和42A′相互对准并垂直于裂缝方向41的情形。由于这个方向，最好把被支撑裂缝43A长度(即双翼裂缝的长度)限制到近似于砂石矿体的宽度44。任何比宽度44长的裂缝将穿入无生产力的地层，不能采收任何附加的气体。图4B表示了砂石矿体42B和42B′同样平行对准裂缝方向41。此时，希望产生较长的双翼裂缝43B，它横贯砂石矿体的整个长度45。因此，这些裂缝将具有4倍于图4A所示裂缝43A的所希望长度。比长度45短的裂缝43B将不穿过整个砂石矿体，并且不能采收到最大的可采收气体量。
图4C和4D说明了更为可能的情形，其中砂石矿体相互不对准。在图4C中，矿体42C垂直于裂缝方向41，但矿体42C′与矿体42C的对准相差45°角度。在图4D中，矿体42D平行于裂缝方向41，矿体42D′与矿体42C′方向相同。确定沿裂缝方向横跨每个矿体的平均距离可得到所希望的裂缝长度。例如，在图4D中，平均值包括砂石矿体42D的长度45加上由裂缝方向41横跨矿体42D′的对角线长度46；再除以2。所算出的裂缝43D的裂缝长度为长度45的3/4(0.75)。在图4C情形中，裂缝43C算出为宽度44的1.5倍(或为长度45的0.375倍)。
最后说明图4E，它代表了两个相互垂直的矿体42E和42E′，一个矿体42E平行于裂缝方向41。在该例子中，裂缝43E的优选长度是宽度44的2倍(或长度45的一半)。图4E的结果也反映出如果无数砂石矿体具有随机方向时将选择的裂缝长度；也就是说，裂缝长度就是典型砂石矿体长度和宽度的平均值。另外在对矿体方向的信息知道极少时(如在初次钻井时)，熟悉该技术的人员会选择裂缝长度最好近似于矿体的平均尺寸。当收集到更多矿体方向的信息时(如补充的矿井钻探)，则裂缝长度的计算可变得更精确，并修改成图4所示情形的类型。
熟悉该技术的人员也可理解到，砂石矿体一般不会如图4所示正好以井孔为中心。在大多数情形中，砂石矿体是偏离中心。(例如，可参见在图1、2和3中是如何描绘砂石矿体11的。)例如，如果图4B中井孔进一步向右(即偏离中心但仍与裂缝方向41对准)，则裂缝长度43B在井孔之左将不再横跨砂石矿体42B和42B′的整个长度，而在井孔之右将延伸超出砂石矿体进入无生产力的地层。尽管如此，裂缝将贯穿矿体的大部分，矿体会有效地引流。
上述讨论要点是想阐明，即使采用了矿体和裂缝方向的大量信息，总裂缝长度的选择至多也只是一个近似值。因此，在本发明的实践中，对裂缝长度、引流面积、砂石矿体尺寸和矿井相隔面积等的所有参考值均作为粗略的近似值，它们可以有很大的变动范围。熟悉该技术的人员可根据事先已有的地质和储藏区信息，加上在储藏区开发时产生的数据和分析来进行工作，由此能够最有效地实施本发明。换句话说，储藏区开发是一个学习的过程，它使熟练的专业人员能够针对具体的盆地和储藏区来优化本发明的应用。
对于多段压裂，本发明中采取的技术是应用密封球来改变通过目标穿孔的压裂液体方向。最好是，压裂液体是非牛顿液体，如交联的胶态水。其它如二氧化碳泡沫的非牛顿液体，或者如油或水的牛顿液体也可用于压裂矿井。但是，优选交联的胶态水，因为它费用低和简单，并且其液体性能可尽量减少采用密封球产生的问题，这些问题是缘于在落下球的填充段中，密封球会向上(飘浮)或向下(不飘浮)移动。由于与机械隔离每个穿孔层的方法相比，密封球能够更迅速和更有效地展开，因此本发明技术采用了密封球来顺序封闭各段之间的已穿孔层。例如，采用密封球可使矿井在约4天内完全激发，而采用费钱的机械隔离方法达到同样结果将花40天。
以下连续几张附图将描述矿井的完善和激发技术，最好采用它们来实施本发明。图5A到5C说明了在压裂开始之前所需的井中穿孔位置。从图5A开始，所示井孔壁50穿过了储藏区的整个厚度52。不连续处53说明大部分井孔未被表示；仅描绘了最上面和最下面部分。在所示例子中，储藏区具有总厚度1,220m(4,000英尺)，并被分成几个多段区，每个区厚度约305m(1,000英尺)。图5A表示了矿井的顶区54和底区55。这些区在这里称为多段区，它们反映了通常在一天作业中能够进行的密封球段数(约10)的实际限制。因此，为了处理整个储藏区的1,200m(4,000英尺)，需要在井孔上顺序进行4个多段(10段)作业，从最深多段区55开始逐步到最浅的多段区54。每个多段区还再分成约30m(100英尺)的较小间隔，每个间隔在这里称为单段区。图5A中，与多段区54相应的间隔56A-J和与多段区55相应的间隔57A-J均是单段区。
单段区56I被放大并表示在图5B中。选择3m(10英尺)的穿孔层58作为在间隔56I内待穿孔的位置。穿孔层的高度最好大致设在每个单段区的几何中心上，但并不精确限制在这个位置。如果实际砂石矿体位于穿孔层高度的优选中心位置3到6m(10到20英尺)之内，则穿孔层高度可以移到这个附近砂石矿体的中心。虽然最好在可能时使穿孔大致对着砂石矿体位置，但在应用本发明时不一定要使穿孔位于这个位置。从优选位置移动穿孔层高度的位置超过6m(20英尺)，可能有害于密封球的能力，不能有效地产生基本上不重叠的单段裂缝高度。虽然可以发生裂缝高度的某些重叠而无害于本发明的实施，但最好尽量减少这种重叠。图5C进一步放大了井孔的穿孔层58，用于说明在层58内所作穿孔59的位置，它们穿过井孔壁50。图5C说明了穿孔59沿着通常为3m(10英尺)层58，相互隔开约0.3m(1英尺)；也就是说，在3m(10英尺)的穿孔层内，沿着井壁在垂直对准方向上射出10个穿孔。从图5A整体来看，井孔壁在30m(100英尺)的单段区中已被穿孔，穿孔集中在每个单段区内大致中间的位置，具有3m(10英尺)的穿孔层。
应该注意到，穿孔位置的选择基本上是一种几何的做法，它仅稍稍受到地层中透镜状砂石位置的影响。这种方法与矿井水力压裂之前的大多数穿孔作业极不相同。在常规矿井的穿孔时，通常把穿孔目标对准储藏区中有生产力地层的砂石。而在本发明中，从全局意义上使穿孔沿着整个储藏区厚度相隔开，最好是位于短的穿孔层高度中，穿孔层沿着井孔位于等间距的单段高度之内，如图5A所示。
单段区的数目、它们的垂直范围、在单段区内穿孔层的高度和穿孔数目均可改变，图5A-5C描绘的例子仅是一种可能情形的说明示例。在单个井孔中，单段区和穿孔层的长度，以及在穿孔层内的穿孔数目可以改变。影响这些变量(单段裂缝高度、穿孔层高度和穿孔数目)的最重要因素是在多段水力压裂过程中产生的预计裂缝高度。有许多因素影响到裂缝高度，包括在储藏区中的应力模式和不连续性，如滑移区和天然裂缝，它们在含气透镜状砂石和散布砂石矿体的无生产力地层中均可能存在。
已经发现，不管裂缝长度如何，大多数水力压裂产生的裂缝高度范围为15到60m(50到200英尺)。对于具有堆积透镜状砂石的Rocky山区盆地的许多部分，按经验裂缝高度约为30m(100英尺)。为了产生这种裂缝高度，不必穿透裂缝的整个预计高度。相反，最好仅穿透裂缝间隔的中心部分，通过它将进入压裂液体。因此，如同与图5A-5C有关的讨论，选择各穿孔层的相隔距离为30m(100英尺)，它是储藏区预计平均裂缝高度的常见值。选择具有10个垂直相隔穿孔的3m(10英尺)穿孔层，可使得压裂液体有效地传播一个垂直裂缝，它从穿孔层的中心向外扩散，并且以单段高度向外横移到引流半径。
穿孔层的相隔距离一般以复杂方式与许多储藏区和地质因素有关，但是对于以上讨论的四个西部紧密气体盆地，有一个目前矿区导出的关系。所测量的矿区裂缝高度与喷射的压裂液体用量之间关系描绘在图6中，它表示了在这些盆地中，裂缝高度随液体用量的增加而增加。如果与井孔连接的矿体平均尺寸愈大，则必须喷射更多的液体量来使支撑裂缝到达引流半径上。这增加了裂缝高度，并且相应地增加了优选穿孔层的相隔距离，以保持单独的单段裂缝高度。图7是优选穿孔层的相隔距离与平均矿体尺寸的关系，它是从图6曲线演变得出。可以预计到，一旦根据测井、常规储藏区干扰试验或其它方法确定了平均矿体尺寸，对于附近新矿井的完善，可从与图7相似的曲线确定穿孔层的相隔距离。图7不可以具体地应用于西部紧密气体盆地的所有区域，也不可以应用于世界上其它盆地。但是可以估计到，用于产生图7的同样方法可以应用于世界上其它透镜状含气储藏区，采用这些储藏区中相当于图6的不同输入数据。
在矿井中控制压裂所有穿孔层的过程涉及到采用密封球的多段压裂技术。多段压裂最好从储藏区的底部多段区开始，按此方式向上工作到顶部多段区(再参照图5A，首先压裂底区55，最后压裂顶区54)。在井壁内放置砂塞(或机械的桥式塞)，把正在压裂的区与井孔中较深的已压裂的多段区相隔离。在每一个多段区中，顺序地压裂各个单段区，直到在区中的所有穿孔层被压裂为止。不一定要按照任何特定次序(例如从顶到底，或从底到顶)来压裂各单段区。事实上，选择基本上等间距的具有相同穿孔数的穿孔层，其主要原因就是使得单段区的压裂次序不同，不会产生任何不同影响。然后该技术作业沿井孔向上移到下一个多段区，在那里所有单段区也被压裂，直到每一个单段区均被压裂为止。
在每一个多段区内，从一个单段区到下一个单段区的压裂过程的情形如图8A-8C所示。在图8A中，把压裂液体喷射到井孔60中，并通过设在充填器65上(或者没有充填器)的管道向下到达单段区62A，穿孔64近似地位于单段区的中心。压裂液体63，最好是含有支撑料的非牛顿交联胶态水，通过穿孔64进入地层。由于多段区61内的最浅单段区62A通常比较深单段区62B的应力低，因此当压裂液体的喷射压力增加时，单段区62A易于先被压裂。虽然这是最可能的情形，但单段区压裂的不同次序不会改变本发明所述的整个多段、密封球分段过程的有效性。采用在现有技术中已知的程序，如砂之类的支撑料被压裂液体带进并被喷入裂缝中。带砂的压裂液体进入水力裂缝，并且在压裂液体的液压降低和液体被回收之后，用于保持裂缝处于张开位置。
如图8A所示，一般在个别单段区的带支撑料压裂液体终结之后，把密封球66喷射到井内充填液体段中，从而在正确的时间上它们到达正在压裂的特定单段区。进行这部分技术作业的关键是在带有支撑料液体段63之前或之后的正确时间上落下密封球。通常球的比重为0.9到1.5，可以在充填液体中上升(如果飘浮)或下降(如果不飘浮)，并且可能过早或过迟到达穿孔处。如果需要，可以改变密封球的喷射时间，使得在正确时间上球到达单段区的穿孔层上。图8B表示了位于穿孔层62A中穿孔64上的球，它已在正确时间到达，由此封闭了该单段裂缝区。如果球到达过早，它们可能在所有砂喷完之前就封闭了穿孔，造成用带砂液体来开始压裂下面的穿孔层。其结果是，泵压到下一个单段区的下段充填液体会包含少量带支撑料液体的前端，它易于遮挡这个单段区，妨碍了多段区的以后作业。
如上所述，由于正确确定密封球的喷射时间，在多段区中的第一个单段区被封闭。参照图8C，在穿孔64被封闭之后，喷射不包含支撑料的充填液体67，开始压裂下一个单段区(很可能是穿孔层62B)。然后采用支撑料和定时喷射的密封球重复这个过程，直到该穿孔层被压裂和封闭为止。因此在可控的多段压裂过程中，在每个多段区内的每个单段区被激发。
还可控制压裂技术来限制被支撑的总裂缝长度。把规定用量的压裂液体和砂喷射到每个单段区内。代替MHF矿井喷射中常用的1.38×106kg(3×106磅)的砂，如果平均砂石矿体尺寸约为15英亩，则通常仅需把11,340kg(25,000磅)的砂喷射到每个单段裂缝区周围的地层中。具有40个压裂间隔的整个矿井消耗约0.45×106kg(1×106磅)的砂。可控的已支撑裂缝长度具有离井孔约122m(400英尺)的径向距离，它沿横向从井孔延伸到地层中。
已压裂的多段区部分的最后结果描绘在图9中。井孔70周围有三个单段区，采取利用密封球的上述多段技术，已对它们穿孔(穿孔71)和成功地压裂。每个单段裂缝翼72沿横向延伸约122m(400英尺)到单段区73A、B和C内；由此对井孔张开，从储藏区流动的面积具有水平隔开面积约60,700m2(15英亩)。该双翼裂缝的横向范围74大致达到包含在储藏区内透镜状砂石的平均面积。约30m(100英尺)的单段区的裂缝高度把穿孔层高度上下的砂石矿体与井孔连通，如图由虚线75表示，它在穿孔层周围的地层内。
在所有压裂作业完成之后，连续范围的水力压裂的储藏区地层延伸通过井孔周围地层的整个厚度。该压裂技术可用于贯穿和激发与井孔相交或者在矿井引流半径内的大部分透镜状砂石。从而被捕获在这些砂石中的气体将流入已产生的水力裂缝内，并积累起来产生有效引流透镜状砂石的大量气体。
实施本发明的优选方法涉及到把多段压裂技术与在储藏区内定位和隔开矿井的系统相结合。虽然在优质砂石大量集中的储藏区主要区域，可以采用单矿井钻探来实施本发明的方法，但最好采用多井钻探来实施该方法，它可充分地开发整个储藏区或其主要部分。多段压裂技术产生地域影响约为40,500到121,400m2(10到30英亩)的横向裂缝。在这个范围内，矿井将有效地引流相邻的和靠近井孔的透镜状砂石，即在矿井附近的砂石矿体。在裂缝半径之外，砂石矿体将不被贯穿和不被引流。
图10A表示了储藏区80的水平区段(片段)。该区段包括三个井81、82和83，它们在储藏区中钻探，并且采用本发明的多段压裂技术进行压裂。区段可以是代表矿井中一个单段高度的100英尺单片段。区段还贯穿了几个在储藏区片段之内的有生产力的砂石矿体95。由于在储藏区中仅钻了三个井，许多砂石矿体未被井的裂缝区96贯穿。
为了完成储藏区的开发，需要钻探补充的矿井，使隔开面积约等于每个井的有效引流面积，即40,500到121,400m2(10到30英亩)。该有效引流面积也近似于在矿井附近砂石矿体的平均面积。矿井引流面积是指在储藏区内矿井周围的截面积，它可以不同于地面上隔开面积。例如，可以从地面上单个钻探点更有效地钻出多个有方向的井。可以估计到，对于Rocky山区盆地的许多储藏区，有效引流面积约为81,000m2(20英亩)或以下。因此，为了充分开采这些透镜状砂石储藏区，应该把矿井的底孔位置隔开到接近矿井的引流面积和接近砂石矿体的平均尺寸。图10B描绘了同样的储藏区截面80，具有适当隔开的17个井101到117，使得矿井的集体引流面积几乎覆盖了全部储藏区。
由于矿区的充分开发，基本上所有透镜状砂石至少被一个井的裂缝区96(描绘为一个圆)贯穿，因而砂石被有效地引流。按这种方式开发储藏区，在理论上可以贯穿包含在储藏区厚度内的大多数透镜状砂石96。由于储藏区砂石和性能以及引起的断裂机理可以有很高程度的变化，在实际储藏区应用中不可能达到所有砂石矿体被贯穿。尽管如此，如果实现这里所述的可控多段压裂和适当的矿井相隔面积，本发明的方法应该使储藏区的大部分透镜状砂石被贯穿和引流。
在储藏区中矿井的相隔面积应该不小于透镜状砂石的近似平均截面积(横向裂缝已大致与该面积相符合)。超过这里所述的更密相隔面积可能是有害的，由此会产生不必要的干扰、在各井之间重叠引流和增加费用。总的来说，这种过度的钻探不会产生任何附加的气体，而且事实上会抵消这里所述的可控压裂技术成果。因此，矿井相隔面积不应该小于透镜状含气沉积物的近似平均引流截面积。或者是，沿着矿井长度方向，横向裂缝的近似平均引流面积应该不大于每个井附近砂石矿体的平均截面积。
本发明方法的大多数描述涉及了具体的例子或图示。例如，设想控制矿井横向裂缝来引流45,500到121,400(10到30英亩)的面积，用于贯穿矿井附近的透镜状砂石，该矿井的地域范围平均起来具有大致相同的尺寸。熟悉水力压裂技术和透镜状碳氢化合物沉积物地质的人员可以明白，这些示例是有效实施本发明的粗略而理想的近似情形。地质学家和储藏区的工程师会明白，透镜状沉积物和周围地层的尺寸、形状、分布和物理性能会有显著的变化，即使已知的盆地也如此。Rocky山区是一个地质多变区，具有很大程度的不连续性和不可预见性。相似地，水力压裂过程也不易预计或控制，因为产生的裂缝会在目标砂石旁边遇到不同类型的地层岩石。在这种储藏区类型中还会有许多天然裂缝，它们进一步产生不可预见的结果。
因此，熟悉该技术的人员会明白，这里描述的“可控”多段压裂方法不是精确的，而是试图产生一条近似于井孔附近透镜状沉积物平均尺寸的裂缝。所以，不应该把对裂缝尺寸精确测量、透镜状沉积物的地域范围、矿井相隔面积等等的限制硬性归入本发明。相反，本发明是利用专业人员现有的信息来近似估计这些相关的变量。利用现有的信息和将有的信息以及在储藏区开发期间钻探的矿井，熟悉该技术的人员能够在Rocky山区中以及世界上发现这种沉积物的其它地区，利用本发明来节省地开采至今未能大量生产的透镜状气体沉积物。

Claims (25)

1.一种用于激发矿井开采率的方法，该矿井在具有透镜状含气沉积物特征的储藏区中钻出，方法包括：
(1)在沿着上述储藏区厚度方向隔开的许多单段区中，对上述矿井穿孔，
(2)在许多段中压裂上述单段区，用密封球隔离上述段，把上述压裂过程控制到产生这样的横向裂缝：它引流的面积近似于上述单段区附近的上述透镜状含气沉积物的平均水平面积。
2.权利要求1的方法，其中，把上述储藏区厚度分成许多多段区，每个多段区具有两或多个单段区。
3.权利要求1的方法，其中，上述裂缝的高度近似等于上述单段区的相应垂直长度。
4.权利要求1的方法，其中，上述横向裂缝的总长度近似于上述透镜状含气沉积物的平均水平直径。
5.权利要求1的方法，其中，上述横向裂缝的总长度近似于上述透镜状含气沉积物的平均长度，上述长度是沿着上述裂缝方向横跨上述透镜状沉积物的距离。
6.权利要求1的方法，其中，采用非牛顿液体来进行上述压裂过程。
7.权利要求1的方法，其中，上述非牛顿液体是交联胶态水。
8.权利要求1的方法，其中，在上述单段区的近似几何中心上穿孔上述单段区。
9.一种开发具有透镜状含气沉积物特征的储藏区的方法，方法包括：
(1)在上述储藏区中钻一个井，
(2)在沿着上述储藏区厚度方向隔开的单段区中对上述矿井穿孔，把上述储藏区厚度分成许多多段区，每个多段区具有两或多个单段区，
(3)在许多段中压裂每个多段区内的上述单段区，用密封球隔离上述段，把上述压裂过程控制到产生这样的横向裂缝：它引流的面积近似于上述多段区附近的上述透镜状含气沉积物的平均水平面积。
(4)在上述储藏区中重复钻探，穿孔和压裂附加矿井的过程，使得每个矿井周围的储藏区中截面积不小于沿上述矿井长度上横向裂缝的近似平均引流面积。
10.权利要求9的方法，其中，上述裂缝的高度近似等于上述单段区的相应垂直长度。
11.权利要求9的方法，其中，上述横向裂缝的总长度近似于上述透镜状含气沉积物的平均长度，上述长度是沿着上述裂缝方向横跨上述透镜状沉积物的距离。
12.权利要求9的方法，其中，采用非牛顿液体来进行上述压裂过程。
13.权利要求12的方法，其中，上述非牛顿液体是交联胶态水。
14.权利要求9的方法，其中，在上述单段区的近似几何中心上穿孔上述单段区。
15.权利要求9的方法，其中，每个井周围储藏区中的上述截面积大致等于沿上述井长度横向裂缝的近似平均引流面积。
16.权利要求15的方法，其中，每个井周围储藏区中的上述截面积平均约为40,000到122,000平方米(10到30英亩)。
17.一种开发具有透镜状含气沉积物特征的储藏区的方法，方法包括：
(1)在上述储藏区中钻井，使得每个井周围的储藏区中平均水平截面积不小于上述储藏区中上述透镜状含气沉积物的近似平均截面积，
(2)在沿着上述储藏区厚度方向隔开的单段区中，对上述矿井穿孔，把上述储藏区厚度分成许多多段区，每个多段区具有两或多个单段区，
(3)在许多段中压裂每个多段区内的上述单段区，用密封球隔离上述段，把上述压裂过程控制到在每个井中产生这样的横向裂缝：它延伸到在上述井附近的透镜状含气沉积物中。
18.权利要求17的方法，其中，上述裂缝的高度近似等于上述单段区的相应垂直长度。
19.权利要求17的方法，其中，上述横向裂缝的总长度近似于上述透镜状含气沉积物的平均长度，上述长度是沿着上述裂缝方向横跨上述透镜状沉积物的距离。
20.权利要求17的方法，其中，采用非牛顿液体来进行上述压裂过程。
21.权利要求20的方法，其中，上述非牛顿液体是交联胶态水。
22.权利要求17的方法，其中，在上述单段区的近似几何中心上穿孔上述单段区。
23.权利要求17的方法，其中，每个井周围储藏区中的上述截面积大致等于上述透镜状含气沉积物的近似平均截面积。
24.权利要求23的方法，其中，每个井周围储藏区中的上述截面积平均约为40,000到122,000平方米(10到30英亩)。
25.权利要求22的方法，其中，上述裂缝的近似平均引流面积基本上不大于上述透镜状含气沉积物的上述平均截面积。
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