CN1298961C - 用于对多个井筒区段进行处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于处理在井筒中的多个区段的方法，该方法对至少一个区段(32、33或34)射孔，接着处理和隔离射孔的区段(32、33或34)，在处理和隔离过程中无需将射孔套筒(101)从井筒中取出。本发明还适用于利用或者不使用支撑剂材料进行水力压裂(222)以及化学增注处理。
Description
发明领域
本发明整体上涉及对地下岩层进行射孔和处理，以提高油气产量的领域。具体而言，本发明提供一种用于对多个区段进行射孔和处理的方法，该方法无需在各个步骤或阶段之间中断处理操作。
发明背景
当含有碳氢化合物的地下储集层没有足够的渗透性或流量，以使碳氢化合物以经济的数量或以最佳的速度流向地面时，通常采用水力压裂法或化学制品(通常为酸)增产措施来提高流量。穿过地下岩层的井筒一般包括一个被固定在原始射孔内的金属管(套管)。一般情况下，要穿透套管和套管周围的水泥壳打出多个横向孔(射孔)，以使碳氢化合物流入井筒内，而且如果需要，还可以使处理流体从井筒流入地层中。
水力压裂法包括将粘性流体(通常为被剪切稀化的非牛顿凝胶或乳胶)以高压和高流速注射到地层中，以使储集层的岩石断裂并形成一个平面，该平面通常为垂直的断面(或断裂结构)，就象当将一个楔子打入一圆木后，在圆木上延伸的断面一样。粒状的支撑剂(proppant)材料，例如砂子、陶瓷珠或其它材料通常与压裂流体一起被注入，从而在压力被释放后，仍然能够使断裂部分保持张开。由于保留在断裂面内的粒状支撑剂材料之间的流动通道具有更好的渗透性，因此，来自储集层的流量将不断增加。在化学制品增注处理法中，可通过将材料溶解到地层中或以其它方式改变地层的特性来提高流量。
上述水力压裂法的应用是石油工业作业的一个常规部分，该方法可被应用到地下岩层的垂直总厚度最大可达约60米(200英尺)的单个目标区域内。当需要对多个储集层或多个层状或一个含有碳氢化合物的极厚地层(超过约60米)的储集层进行水力压裂时，就需要采用其它替代处理技术对整个目标区域进行处理。用于提高处理范围的方法在石油工业的术语中通常被称为“导流”法。
当需要利用水力压裂或化学增注处理法对多个含有碳氢化合物的区域进行增注时，可通过引入多个处理阶段来实现技术效果，这些处理阶段能够通过多种不同的部件或其它流体系统或限制进入法实现导流或(分离)，这些不同的部件包括机械部件，例如桥式插塞、封隔器、井下阀、滑套和挡板/插塞的组合部件；密封球；颗粒，例如砂砾、陶瓷材料、支撑剂、盐、蜡、树脂或其它成分；其它流体系统例如可以是粘化流体、胶态流体或泡沫或其它按照化学方法配制的流体。用于临时性阻止流体流进入给定的射孔组或从指定的射孔组中流出的上述方法及其它方法在本文中被称为“导流剂”。
在机械式的桥塞导流方法中，例如，首先要对最深的区段射孔和进行压裂增注，接着利用机械式的方法将该区段隔离，接下来，在下一区段中重复执行上述的工序。现在假设有10个目标射孔区段，那么以这种方式对300米(1000英尺)的地层进行处理通常需要在10天至两周的时间段内进行10项作业，这种作业不仅包括多个压裂处理工序，而且还包括多个独立的射孔操作和桥式插塞的延伸操作。在完成处理工序时，还需要对井筒进行清理，目的是拆下桥式插塞并使油井开始生成。利用桥式插塞或其它机械导流剂的主要优点在于：能够保证对整个目标区域进行处理。其主要缺点在于：由于需要多次进出井筒，因此增加了处理成本；另外，由于在井筒内需要许多独立的操作，因此增加了操作的复杂性。例如，桥式插塞可能粘在套管上，而且需要以极高的成本将插塞钻出。另一缺点在于：所需的井筒清理操作可能损坏一些已被成功压裂的区段。
利用桥式插塞的另一种替代方式就是用压裂砂砾充填刚被压裂处理过的井筒区段，这种方法一般被称为Pine Island技术。砂砾柱基本堵住了已被压裂的区段并能够对下一区段进行单独射孔和压裂。其主要优点在于：能够消除桥式插塞带来的问题和危险。其缺点在于：砂砾塞不能形成良好的液压密封，而且难以在压裂增注处理结束时从井筒内取出砂砾。除非油井的流体产品足够有力，从而将砂砾从井筒内带出，否则仍然需要利用已经完成操作的钻机或盘卷在一起的套管单元对井筒进行清理。如前所述，附加的井筒操作将增加成本，增加机械危险和损坏已被压裂过的区段的可能性。
另一种导流方法涉及到利用颗粒材料和粒状固体，粒状固体被放在处理流体中，以利于扩散。当流体被泵送，而且颗粒进入射孔时，如果在流体流中使用了浓度足够高的颗粒，那么就会在容纳流体的区域形成临时堵塞。接着，这种限流作用使流体流向其它区域。在完成处理后，利用生成的地层流体或通过注入清洗流体，或者通过流体的输送或溶解除去这些颗粒。可以买到的颗粒导流材料包括：苯甲酸、岩盐、树脂材料、石蜡和聚合物。砂砾、支撑剂和陶瓷材料也作为替代物被用作颗粒导流剂。也可以设计出在处理过程中能够沉积和成形的其它专用颗粒。
再一种导流方法涉及到将粘性流体，粘性油脂，或泡沫用作导流剂。该方法包括将导流流体泵送到整个射孔区段上和/或射孔区段内。这些流体系统按照下述方式配制：使其由于粘性或地层的相对渗透性的增加而能够临时阻断流体流向射孔；这些流体系统还可被设计成：在需要时，流体系统能够分解、裂解或溶解(加入或不加入化学制品或其它能够引发分解或溶解的添加剂)，以使流体流能够还原到射孔内或从射孔中还原。这些流体系统可用于矩阵式化学增注处理法和破裂处理法的导流工序中。粒状导流剂和/或密封球有时可接合到这些流体系统中，以提高分散度。
另外一种可能的导流技术就是“限制进入”导流法，在该方法中，地层内的整个待处理目标区域被钻出少量小直径的孔，以使在泵送过程中在这些射孔上产生的压力损失形成一个高的井筒内部压力。井筒内部压力被设计成足够高的形式，以使所有被射孔的区段都能够同时压裂。如果压力过低，那么只有最弱的地层部分才会破裂。限制进入导流法的主要优点在于：在套管内没有设置类似桥式插塞或砂砾这样的阻断物，因为这些插塞或砂砾需要从井筒内除去，否则将会导致操作问题。其缺点在于：限制进入压裂法通常不能在较厚的区段正常工作，因为最终的破裂区域通常过于狭窄(支撑剂不能全部泵送到狭窄的压裂区内，而是存留在井筒内)，而且井筒内的原始高压也不能得到保持。当砂砾材料被泵送时，射孔直径通常会被迅速地侵蚀为较大的尺寸，这样就降低了井筒内部的压力。最终结果可能是并非所有的目标区域都受到增注处理。另外一个问题就是流入井筒内的流量可能被少量射孔所限制。
由于不能对整个目标区域进行增注或因为采用上述风险更大、成本更高的机械式方法而产生的问题可通过利用被密封球导流的有限、集中的射孔区段来解决。可利用射孔将待处理区域划分为多个分区，而这些射孔大体位于各个分区的中心处，或者也可根据对地层的分析结果将分区选定为所需的目标压裂位置。接着，压裂阶段可泵送密封球，而且在每个阶段结束时，能够通过密封球产生导流作用。具体而言，总厚度为300米(1000英尺)的地层可被划分为10个各约为30米(约100英尺)的分区。在每个30米(约100英尺)的分区中心，以每米套管3个孔的密度打出10个射孔。接下来，可在压裂阶段泵送含有砂砾的流体，然后加入10个或更多的密封球，而且在一个射孔组或射孔区段内，每个开放的射孔内至少有一个密封球。该过程可重复进行，直到所有的射孔都被压裂为止。这种系统详见1999年4月6日授权的美国专利US 5890536。
过去，将在一个特定的工序内受到处理的所有区域都在泵送处理流体前进行射孔，而且周密封球对由已被压裂的区域流出的处理流体进行导流，或在释放密封球之前将最大的流体流转向其它流量较小或没有流量的区域内。从理论上讲，可根据相对压裂压力或渗透性对各个区域进行逐一处理和密封，但却经常遇到这样的问题：密封球过早地定位在位于目标区段外的一个或多个开放的射孔上，或者对两个或更多的区域同时进行处理。
图1示出了将密封球用作导流剂的总体构思，其中的导流剂用于对多个射孔区段进行增注。图1示出了一个示例性井筒30的带射孔的区段32、33和34。在图1中，设置有射孔的区段33已经液力支撑剂压裂断面46所增注，而且正处于由密封球12(井筒内)和球密封14(已定位在射孔上)对该区段进行密封的过程中。在理想的环境下，当密封球12和密封球14封闭射孔区段33时，井筒压力将会上升，从而使另一个射孔区段压裂。这种技术假定每个射孔区段或分区都能够以各不相同的压力被击穿并压裂，从而使每个处理阶段都仅进入一组射孔。但是，在某些情况下，多个射孔区段可能会以几乎相同的压力被击穿，这样就使一个处理阶段实际上可能涉及到多个区段并导致出现不太满意的增注结果。现在已经有一种方法能够设计出多阶段密封球导流压裂处理过程，这样就能够在每个流体泵送阶段仅对一组射孔进行压裂处理，例如在2001年2月13日授权的美国专利6186230，但该方法的最佳应用仍决定于地层特性和增注工作的要求；这样，在某些情况下，就不能每次仅对一个区域进行最佳处理。
密封球导流法的主要优点在于成本的低廉和出现机械问题的可能性较小。成本低廉是因为该方法通常能够在一个连续的操作过程中完成，一般只需要花费一天中的几个小时。只有密封球留在井筒内，而且密封球可随生成出来的碳氢化合物流出，或落入井底的未知区域内，例如老鼠洞(或废弃的洞口)。这种方法的主要缺点在于：其不能保证每次仅使一组射孔压裂，这样在每个处理阶段结束时，密封球的正确数量(译者注：可能是指“到达预定位置的密封球的数量”)都会下降。实际上，该方法的最佳效果决定于一个压裂阶段就涉及地层中的一组射孔，而且在该处理阶段，对所有其它开放的射孔基本没有什么影响。另一缺点在于：缺乏使所有带射孔的区段都得到处理的可信度，另外在工作进行过程中对这些区段的处理缺乏次序性。在某些情况下，不可能按照下述方式控制处理过程：使单个区域仅在单个处理阶段受到处理。
已经有人提出了另外一些方法，这些方法能够解决在对带有射孔的区域进行压裂增注处理时出现的问题。这些方法包括：1)在利用超平衡压力射孔的同时在井筒内形成砂砾泥浆；2)在点燃射孔弹的同时从一个泥浆泵中倾倒砂砾；3)在一个独立的爆炸释放容器中包括砂砾。这些方法均能够在井筒周围形成最小的压裂射孔，而且不适合上述多阶段水力压裂法的要求。
因此，就需要一种既能够对井筒内的每个区段进行单独处理，同时又能够保持多阶段处理方法的经济性的方法。另外，还需要提供一种破裂处理的设计方法，该方法能够从经济角度减少目前用于对包括有多个储集层或多层储集层或厚度超过约60米(200英尺)的含有碳氢化合物的地层进行压裂处理的方法中存在的危险。
发明内容
本发明提供一种用于以下述方式对多个钻有孔的区段进行处理的方法：在每个处理阶段内仅对一个区段进行处理，同时确定出区段的处理顺序。本发明的方法能够更加有效地对许多储集层进行化学增注和/或压裂增注，这样，与现有的方法相比，本发明的方法提高了生产率和碳氢化合物的回收率(吸入率)。
本发明的一个实施例包括：在被一给定井筒穿透的一个或多个地下岩层的至少一个区段内射孔；无需将射孔设备从井筒内取出，将所需的处理流体泵送到井筒内，利用井筒内的某些部件或物质可移开地挡住其它流体流，以防止其进入处理过的射孔内；接着，在地下岩层的至少一个区段内重复执行上述的操作。
本发明的另一实施例包括：在被一给定井筒穿透的一个或多个地下岩层的至少一个区段内射孔；无需将射孔设备从井筒内取出，将所需的处理流体泵送到井筒内，在井筒内启动一个机械式导流部件，从而可移开地挡住其它流体流，以防止其流入处理过的射孔内的；接着，在地下岩层的至少一个区段内重复执行上述的操作。
附图说明
参照附图，通过阅读下面的详细说明将会更好地理解本发明及其优点，其中附图：
图1为一个井筒的示意图，图中示出了用于在一钻有孔的井筒内密封压裂分区的密封球；
图2为设置有外围设备的常规井筒结构的透视图，当射孔装置用于线缆上时，这些外围设备能够用于运送射孔装置；
图3示出了一个可以有选择地点火的射孔装置，该射孔装置通过一个线缆悬挂在未被射孔的井筒内并定位在一个能够被第一组有选择地点火的射孔弹打出孔来的深度位置上；
图4示出了射孔装置和图3的井筒在第一组可以有选择地点火的射孔弹被点火后形成多个穿过套管和粘合剂护层延伸到地层中的射孔，从而在井筒和地层之间形成流体联通后的情形；
图5示出了图4的井筒在射孔装置已向上移动并远离第一射孔区域后的情形，而且还示出了通过将支撑剂泥浆和流体经由第一组射孔泵送到地层中从而利用液压力将第一目标区域压裂的情形；
图6示出了图5中的射孔部件和井筒在将密封球注入井筒后并开始定位在第一组射孔上的情形；
图7示出了图6的井筒在密封球封闭第一组射孔后的情形，在该图中，射孔部件已经定位在第二区段的深度位置上，而且第二区段已被安装在射孔装置上的第二组可以有选择地点火的炸药打出多个孔；
图8示出了图7的井筒在射孔部件已经向上移动并移离第二射孔区域后的情形，在该图中，还示出了通过将支撑剂泥浆和流体经由第二组射孔泵送到地层中从而利用液压力将第二目标区域压裂的情形；
图9示出了通过线缆悬挂在一未被射孔的井筒内并可以有选择地点火的射孔部件，该射孔部件包括有一个机械式区域隔离部件(“挡板阀”)，而且射孔部件定位在将被第一组可以选择地点火的射孔弹打出孔来的深度位置上。图示的射孔部件还包括一个按钮部件，以提供一个能够使机械式的区域隔离部件启动的部件。
图10示出了图9的射孔部件和井筒在第一组可以有选择地点火的射孔弹被点火后，形成多个穿过套管和粘合剂护层延伸到地层内的射孔，从而在井筒和地层之间形成流体联通的情形；
图11示出了图10的井筒在射孔部件已经向上移动到第一射孔区域上方，而且通过将支撑剂泥浆和流体经由第一组射孔泵送到地层中从而利用液压力将第一目标区域压裂后的情形；
图12示出了图11的射孔部件和井筒在射孔部件启动机械隔离部件后，而且机械隔离部件将第一组射孔与位于隔离部件上方的井筒隔离开来后的情形；
图13示出了图12的井筒，在该图中，射孔部件已经定位在第二区段的深度位置上，而且还示出了被安装在射孔部件上的第二组可以有选择地点火的射孔弹打出孔来的第二区段；
图14示出了图13的井筒在射孔部件已经从第二射孔区域向上进一步移动后的情形，图中还示出了通过将支撑剂泥浆和流体经由第二组射孔泵送到地层中从而利用液压力将第二目标区域压裂后的情形；
图15示出了一个通过连接管悬挂在井筒内的滑套式移位工具，该移位工具包括多个被用作区域隔离部件的滑套部件。该滑套部件包括多个孔，这些孔是在井筒内使用滑套之前预先在地面钻出的。该滑套式移位工具用于根据需要射孔和关闭滑套，从而能够在不将滑套式移位工具从井筒内取出的前提下形成流体联通并对所需区域进行增注操作。
图16示出了用于射孔部件上的牵引机构，该牵引机构能够控制射孔部件在井筒内的位置和方位。
图17示出了用于射孔部件上的磨蚀性或侵蚀性流体射流切割技术。该射孔部件包括一个用于螺旋管上的喷射工具，从而利用高压、高速的磨蚀性或侵蚀性流体射流穿透油层套管和周围的粘合剂护层，以与所需的地层区段建立流体联通。
本发明的详细描述
现将结合优选实施例对本发明进行描述。但是，下面关于本发明的特定实施例或者特定应用的描述仅是说明性的，不是对本发明的保护范围的限定。相反，它覆盖了所有包含在所限定的本发明的保护范围内的替换、变型和等同。
使用一种包括支撑剂材料和载体流体的泥浆的处理流体的水力压裂将用于这里所描述的多个实施例，这是由于这样的操作在与仅利用流体压裂或者化学增注相比比较复杂。但是，本发明同样适用于可包括一种或者多种酸性的或者有机溶剂处理流体的化学增注操作。
特别是，本发明包括一种用于在井筒内分别对多个区段中的每一个进行处理以提高生产率或者注入能力的方法。本发明提供一种确保利用一个处理阶段(stage)处理一个区域。本发明包括单独地和顺序地利用射孔装置在井筒中钻出所需的多个区域，同时泵吸增注处理的多个阶段和设置封堵球或者其他导流(diversion)材料和/或启动机械导流装置以为处理阶段提供精确控制导流。在本申请中，术语“井筒”被理解为，包括所有在地平线上方的密封设备，诸如井口、卷筒、防喷器和润滑器，以及井的所有地下部件。
现参见图2，可在第一优选实施例中使用的该类型地面设备的一个示例是钻机安装，其中使用了很长的润滑器系统2，润滑器系统2被与起重机基座8相连的起重机臂6高悬于空中。井筒通常包括一段部分或者整个在一个水泥壳80内的地面套管78和部分或者整个在水泥壳84内的油层套管82，其中井筒的内壁是由油层套管82构成的。井筒的深度最好延伸到在被增注的最底部区段下方并与之保持一定距离的位置处以适应与线缆107的端部相连的射孔装置的长度。使用钻机安装领域的普通技术人员公知的操作方法和工序并且在压力下将线缆起下的工具安装在井筒中，利用润滑器系统2将线缆107插入到井筒中。线缆防喷器10也被安装到润滑器系统2上，在操作出现异常情况时，可远程启动线缆防喷器10。起重机基座8、起重机臂6、润滑器系统2、线缆防喷器10(以及与它们相关的辅助控制和/或致动部件)是本领域普通技术人员公知的标准设备部件，它们适用于在压力下安全地将线缆射孔装置安装在井中以及接着在压力下将线缆射孔装置从井中取出的方法和工序。
对于目前容易使用的设备，从地平线到润滑器系统2顶部的高度约为100英尺。起重机臂6和起重机基座8支撑润滑器系统2的载荷和完井操作预计的载荷需要。
一般地，润滑器系统2的长度必须大于射孔装置的长度以使射孔装置在压力下被安全地设置在井筒中。根据总体长度要求，也可使用其他的润滑器系统悬吊系统(为了完井/修井设备而安装的)。或者，为了减小总体地面高度要求，与在于2000年5月2日授权的美国专利US6,056,055中所描述的类似的井下润滑器系统可被用作井筒设计和完井操作的一部分。
图2中示出了几个不同的井口卷筒，它们可在钻机安装操作、增注操作和钻机拆卸操作过程中用于流动控制和液压隔离。顶部阀16提供用于将顶部阀16上方的井筒部分与顶部阀16下方的井筒部分隔离的装置。上主裂隙阀18和下主裂隙阀20也提供了用于将处于它们各个位置上方和下方的井筒压力隔开的装置。根据现场特定的实施和增注作业设计，实际上不一定需要或者使用上述所有这些隔离类型的阀。
图2中所示的侧出口喷射阀22提供了用于将一种增注流体喷射到井筒中的位置。可利用适合的配件和/或接合件使来自于地面泵和储液容器的用于喷射增注流体的管道与侧出口喷射阀22相连。接着增注流体将通过该流动通道被泵送到油层套管82中。通过安装其他适合的流动控制设备，可利用侧出口喷射阀22从井筒中开采流体。线缆隔离工具14提供一种能够保护线缆使之不会受到被喷射到侧出口喷射阀22中的充满支撑剂的流体的冲击的装置。
本发明方法的一个实施例，使用密封球作为该水力压裂实施例的导流剂，包括设置射孔装置以使其包含多组炸药，从而利用一些触发机构单独地点火每一组炸药。如图3中所示，通过线缆107设置一个选择点火射孔装置101。在图3中用于说明而示出的选择点火射孔装置101包括绳套/剪切-释放/打捞颈接头110、套管接箍定位器112、上磁偏心器114、下磁偏心器160和四个选择点火射孔弹载体152、142、132、122。选择点火射孔弹载体152包含十个射孔弹154并且利用选择点火发火头150单独点火；选择点火射孔弹载体142包含十个射孔弹144并且利用选择点火发火头140单独点火；选择点火射孔弹载体132包含十个射孔弹134并且利用选择点火发火头130单独点火；选择点火射孔弹载体122包含十个射孔弹124并且利用选择点火发火头120单独点火。这种类型的选择点火射孔装置和相关的地面设备和操作工序对于射孔领域的普通技术人员来说是公知的。
如图3中所示，射孔装置101接着被定位在井筒中并且射孔弹154处于需要被射孔的第一区域的位置处。利用套管接箍定位器112比较容易地实施和完成射孔装置101的定位。接着，如图4中所示，十个射孔弹154被点火以形成十个穿透油层套管82和水泥壳84的射孔210以与被处理的第一区域一起形成一个流动通道。接着可使射孔装置101被再次定位在井筒内的适合位置处并且不会影响处理的泵送和/或密封球的轨道，最好被这样定位，即，使射孔弹144可位于被射孔的下一个区域处。
如图5中所示，在对第一区域射孔后，在第一处理阶段进行泵送并且充分受压以通过第一组十个射孔210进入第一区域并且形成水力支撑剂压裂212。在第一处理阶段即将结束时，足以密封第一组射孔的大量密封球或者其他导流剂被喷射到第一处理阶段中。
在喷射导流材料之后，最好以恒定的速率对第二处理阶段进行泵送，并且不会在两个处理阶段之间产生中断。假定使用密封球，如图6中所示，随着第一组密封球到达并且开始密封第一组射孔，持续进行泵送。如图6中所示，密封球216开始就位并且密封射孔210；同时密封球214相对于流向射孔210的流体持续向下对流循环。
如图7中所示，当利用密封球218密封第一组射孔210时，如果射孔装置101还未被适合定位，那么射孔装置101应该被重新定位以使十个射孔弹144与被处理的第二区域相对。接着，如图7中所示，十个射孔弹144被点火以形成第二组十个穿透井筒的射孔220以与被处理的第一区域一起形成一个流动通道。
应该理解的是，如果需要的话，任何已知的射孔组可是一个射孔组，但是通常多个射孔可提高处理效果。一般地，用于穿透每一个区域的套管的射孔所需要的数量、尺寸和取向的选择部分地取决于增注作业要求、导流剂和地层和储集层性质。还应该理解的是，如果需要的话，枪组件的多于一段可被点火以获得目标数量的射孔，从而能够补救实际的或者察觉到的未点火或者简单地增加射孔的数量。还应该理解的是，一个区段无需被限于一个储油砂层。在一个已知的处理阶段，例如可利用限制入口导流方法的一些元件将多个砂区段作为一个处理阶段来处理。尽管最好延迟每一组射孔弹的点火直至一些或者所有的导流剂通过并且处于射孔装置的下游，但是应该理解的是，在增注处理过程中，可在任何时间点火任何组射孔弹。
还应该理解的是，可利用人工操作或者利用自动方法启动用于使炸药选择性点火的触发机构。例如，人工操作可包括一个人工启动开关以使点火电路闭合并且触发炸药的点火；而自动装置可包括一个计算机控制系统，当出现特定的情况时，诸如井筒压力的突然变化或者确定密封球或者支撑剂的最后亚层已经通过枪，计算机控制系统自动使炸药点火。触发机构和炸药自动点火所需的设备实际上可位于地面上、在井筒内或者作为一个部件被包含在射孔装置上。
图8示出了射孔装置101，射孔装置101接着最好被定位，并且十个射孔弹134在被处理的第三区域附近，从而使移动量达到最小，并且在理论上能够降低出现关于移动的复杂情况的可能性。这样的定位还将减小在移动枪的同时控制压力所需的泵送率改变的可能性，从而进一步减小了出现复杂情况的危险。第二阶段的泵送可持续以在第二处理阶段充分受压以通过第二组十个射孔220进入第二区域并且形成水力支撑剂压裂222。在第二处理阶段即将结束时，足以密封第二组射孔220的大量密封球被喷射到第二处理阶段中。在喷射密封球并且在第二处理阶段喷射到井筒中之后，持续对第三处理阶段进行泵送。持续进行泵送直至落在第二组射孔上的密封球的第二次部属。接着对于所需数量的被处理的区段重复上述过程。对于参照图3至图8描述的特定的射孔装置101，在该特定示例中可处理总共高达四个地区段，这是由于特定的射孔装置101包含四个选择点火射孔弹载体152、142、132、122，每一组分别带有可在处理过程中独立控制和选择性点火的射孔弹154、144、134和124。最广义地，该方法适于利用射孔装置101一次下井即可处理两个或者多个区段。
通常，区段可根据储集层性质、处理作业状况或者设备限制被分组以便于处理。在每一组区段(最好两个或者多个)后，在工作日结束时(通常是由照明状况限定的)，或者如果遇到关于密封一个或者多个区域的困难，最好可使用一种桥塞或者其它机械装置将已经处理的区段组与下面将进行处理的区段组隔离。一个或者多个选择点火设定桥塞或者压裂阻挡装置可被设置在射孔枪组件上并且在利用选择性点火设定工具进行增注操作过程中根据需要设置以在射孔区段之间提供有效的机械隔离并且无需使用一个独立的线缆在压裂阶段组之间设置隔离装置或者导流剂。
尽管在该实施例中所述的射孔装置使用远程点火炸药以在套管和水泥壳中射孔，但是在本发明的保护范围内为了在井筒和周围地层之间形成一个流动通道，也可使用替代的射孔装置，这些射孔装置包括但不限于喷水和/或磨粒射孔、化学溶解或者激光射孔。对于本发明，术语“射孔装置”是广义的并且包括上述所有类型的射孔装置，以及任何悬于井筒中用于启动炸药的启动装置，或者其它可由启动装置外部的套管或者其他装置输送以在井筒和地层之间建立液体连通。
射孔装置可是一种包括可在市场上得到的枪系统的射孔枪组件。这些枪系统可包括“选择点火系统”以使一个枪可包括多组射孔弹。可利用电子、无线电、压力、光纤或者其他启动信号使单独的每一组或者多组射孔弹从地面被远程控制和点火。每一组射孔弹可被设计(炸药的数量、每英尺开枪的数量、孔尺寸、穿透性能)以将利用一个单独的阶段处理的单独区域得到最佳射孔。尺寸范围从42.86mm(1-11/16英寸)外径到66.67mm(2-5/8英寸)外径的枪管空心钢炸药载体可在市场上得到并且可利用威力足够大的射孔弹容易地制造以适于穿透114.3mm(4-1/2英寸)直径或者更大的套管。在使用本发明方法时，较小的枪直径通常是优选的只要所获得的射孔能够提供与地层之间的足够液体连通以使储集层适合的增注即可。通常，可利用在市场上得到的射孔枪系统和密封球使本发明方法容易地用于114.3mm(4-1/2英寸)直径或者更大的油层套管中。利用其他的导流剂或者更小的密封球，本发明也可用于较小的套管中。
每一个单独的枪的长度在0.6096m-2.4384m(2-8英尺)之间，并且包含沿着枪管以每0.3048m(英尺)1和6枪之间(最好在每0.3048m(英尺)2和4枪之间)的枪击密度设置的8至20个射孔弹。在一个优选实施例中，15至20单个枪以一个在另一个顶部上的方式被堆叠以使组装的枪系统总长度最好保持在等于大约24.384m-30.48m(80-100英尺)。利用容易得到的地面起重机和润滑器系统可使该总的枪长度用于井筒中。也可使用更长的枪长度，但通常无需附加或者特定的设备。
可利用各种装置将射孔装置输送到井下，并且可包括电线、线缆、钢丝、常用管、挠性管和套管输送系统。在射孔第一区域后，射孔装置可保留在孔中，接着在对第一区域处理之前、过程中和之后被设置在下一个区域。在密封球被放入井筒中之前的一段时间内，射孔装置最好可在畅通的射孔孔眼的水平线上方或者在润滑器中移动，但是如果具有足以使密封球或者其他导流器材料通过，或者如果需要的话，使枪通过被设置的密封球的间隙，射孔装置也可在井筒内的任何位置、或者，特别是如果从最高的射孔组到最低的射孔组进行处理，用过的射孔装置可脱离输送机构并且降到孔中。
或者，根据处理设计和区域的数量，在一个已知的处理阶段过程中，射孔装置可从井筒中被拉出以进行更换，接着插回到井筒中。可利用浅排水井使持续时间和完井操作的费用达到最小，浅排水井被钻在用于使润滑器系统定位的起重机范围内。浅排水井可具有表面滑爽剂以使备用的枪组件可被定位和安全储放在地平线以下并且可被快速地拉起以使更换枪所需的时间达到最小。射孔装置的尺寸可被预定和设计以提供多组射孔。利用一种选择点火或者其他启动方法使桥塞或者其他机械导流装置可被包含作为射孔装置的一部分以在射孔之前或者之后被设置，最好在射孔之前。
当使用密封球作为导流剂并且一种选择点火射孔枪系统作为射孔装置时，选择点火射孔枪系统最好包含能够使枪相对于油层套管有效定位(例如，中心设置或者非中心设置)以适应射孔的点火，射孔具有较圆的形状并且最好具有相对平滑的边缘以更有助于射孔的密封球密封，可用于本发明方法中的这样一种射孔设备被披露在与2001年6月19申请的，标题为“Perforating Gun Assembly for Use in Multi-stageStimulation Operations”(PM# 2000.04，R.C.Tolman等)的未审定的美国临时申请中。在一些应用中，可能需要使用机械或者磁定位装置，射孔弹的取向相对于定位装置的周围位置成0度和180度(如图3中所示)以提供较圆的射孔。
一种选择点火枪系统或者其他射孔装置最好包含一种用于降射孔枪设置在适合的井下深度位置的深度控制系统(诸如套管接箍定位器(CCL))。例如，如果利用线缆将射孔装置悬于井筒中，那么一种常规的线缆CCL可用于射孔装置上；或者，如果利用管将射孔装置悬于井筒中，那么一种常规的机械CCL可用于射孔装置上。除了CCL以外，根据一种已知的应用的实际需要，射孔装置还可包含其他用于测量储集层、流体和井筒性能的装置。例如温度计和压力计可在处理过程中用于测量井下流体温度和压力条件；一种核心流体密度测井装置可用于测量有效的井下流体密度(特别适合于在液压支撑剂压裂处理的过程中用于确定支撑剂的井下分布和位置)；一个放射性检测器系统(例如，伽马射线或者中子测量系统)可用于设定碳氢化合物支撑区域或者识别或者将放射性材料定位在井筒或者地层内。射孔装置也可包含用于启动用作油层套管的一部分的机械导流剂的装置或者部件。
假定，使用一种选择点火枪组件，那么线缆最好为7.94mm(5/16英寸)直径或者较大的装甲单芯电缆。线缆通常可具有大约24465.1N(5500磅)或者更大的建议工作张力，从而能够提供很大的拉力以使枪在宽范围的增注处理流动条件上移动。可使用较大直径的电缆以便能够根据现场实验的需要为工作张力提供较大的限度。
一个可选择的实施例可是使用油层套管输送的射孔弹以使射孔弹以能够选择点火的方式被设置或者连接在油层套管上。例如，可套管来自于地面的液压启动来进行选择点火。将炸药设置在套管中并且利用液压启动从地面启动炸药可减少关于密封球间隙、由于压裂流体而使枪受损或者由于流动通道被射孔枪堵塞而使井筒中的压裂支撑剂桥接的可能存在问题。
对于为15英亩大小的包含碳氢化合物气体的砂质透镜体的增注而设计的压裂处理的一个示例，第一压裂阶段可包括如下的“子阶段”：(a)18.927m3(5000加仑)的2％KCI水；(b)7.5708m3(2000加仑)的交联凝胶，其中每3.7854×10-3m3(加仑)包含0.4536kg(1磅)支撑剂；(c)11.3562m3(3000加仑)的交联凝胶，其中每3.7854×10-3m3(加仑)包含0.9072kg(2磅)支撑剂；(d)18.927m3(5000加仑)的交联凝胶，其中每3.7854×10-3m3(加仑)包含1.3608kg(3磅)支撑剂；以及(e)11.3562m3(3000加仑)的交联凝胶，其中每3.7854×10-3m3(加仑)包含1.8144kg(4磅)支撑剂以使1587.6kg(35000磅)支撑剂被放置在第一区域中。
在第一压裂阶段的最后砂子阶段(the last sand sub-stage)完成时或者接近完成时，用于密封射孔接收流体的足够数量的密封球被注入到井筒中，同时在第二压裂阶段持续进行泵送(其中每一个压裂阶段包括一个或者多个流体子阶段)。通常，密封球被注入到支撑剂的拖曳端中，与第二处理阶段的第一子阶段相关的2％KCI水有助于对套管湍流冲洗。球注入相对于支撑剂阶段的结束的时限可根据公知的在预测的流动条件下描述球/支撑剂传送特征的方程式来计算。或者，利用特定的流体系统和流动几何学进行现场测试来确定时限。为了有助于密封球在最宽的泵送条件的可能范围下就位和密封，最好使用能漂浮的密封球(即，密度小于流体系统的最小密度的密封球)。
如上所述，在最后砂子阶段(the last sand sub-stage)结束时，最好实施一个套管冲洗工序，其中使用多种支撑剂/流体的混和器和真空车以将一种从满载支撑剂的交联流体到未满载支撑剂的2％KCI水的剧烈过渡。在操作过程中，满载支撑剂的流体被装在一个混和器中，而2％KCI水被装在另一个混和器中。适合的流体流动控制阀可被连接以将2％KCI水泵送到井下并且截断从井下被泵送的满载支撑剂的流体。接着使用真空车从第一混和器中将满载支撑剂的流体排空。接着在每一个压裂阶段结束时重复该工序。粘度较低的2％KCI水用于为井下提供比较强烈的湍流以及在满载支撑剂的交联流体的最后子阶段和下一个压裂阶段的2％KCI水的第一子阶段之间的明显不同的界面。该方法有助于使在满载支撑剂的流体中射孔的可能性降至最小，从而减少了射孔被流体中的支撑剂堵塞的危险，并且有助于使在密封球达到井下时出现移动(即，在密封球达到井下时密封球进一步扩散以使第一密封球和第二密封球之间的距离增大)的情况达到最小。
在达到与密封球在第一组射孔上就位和密封相关的压力升高后，第二选择点火枪发射并且枪最好移动到下一个区域。根据射孔枪的性能，一些枪的移动是优选的以在试图增注射孔和密封射孔的同时减少流动通道差压卡钻和堵塞的危险。压力/速度响应被监测以评估压裂是否开始或者是否急需滤砂。如果压裂开始进行，则枪接着移动到下一个区域。如果存在滤砂条件，在有限的时间内中断操作以使支撑剂沉积下来，接着在同一区域启动另一组炸药。接着，该数据可在后续的压裂阶段中用于是否需要在密封球就位和射孔操作之间建立一个“等待时间”。
在阶段之间的泵送过渡过程中，以及在任何一个处理阶段的泵送过程中，最理想的是，压力应该一直保持在前面最高区域的最终压裂压力或者超过该压力以在所有后续的操作过程中使密封球就位在前面的区域的射孔上。可利用多种方式控制该压力，包括选择适当的处理流体密度(有效密度)、适当地增大和降低泵送速度、在每一个后续区域中的射孔发射的数量，或者后续射孔的直径。另外，也可使用地面回压控制阀或者人工操作节流器以在球就位和密封过程中保持所需的速度和压力。如果不能保持压力，可能会使一些密封球脱落，接着以一种非最佳的技术形式进行作业，尽管该井仍然可以经济利用的方式完成。
或者，滑套装置、止回阀装置或者由套管输送的类似机械装置可被用作临时从被处理的射孔组导流的导流剂。滑套装置、止回阀装置或者类似的机械装置可被机械、电子、液压、光学、无线电或者其它位于射孔装置上的启动装置或者甚至利用来自于地面的远程信号来启动。作为一种机械装置用作导流剂的一个示例，图9至图14示出了本发明方法的另一个可选择的实施例，其中机械止回阀用作机械导流剂。
图9示出了被线缆17悬于包括一个机械止回阀170的油层套管82中的一个射孔装置103。在图9中，机械止回阀170被阀锁定机构172固定在打开位置，并且油层套管82还未被射孔。图9中的射孔装置103包含绳套/剪切-释放/打捞颈接头110、套管接箍定位器112、四个选择点火射孔弹载体152、142、132、122；以及可用于松开阀锁定机构172并使机械止回阀170闭合的阀键装置162。选择点火射孔弹载体152包含十个射孔弹154并且利用选择点火发火头150单独点火；选择点火射孔弹载体142包含十个射孔弹144并且利用选择点火发火头140单独点火；选择点火射孔弹载体132包含十个射孔弹134并且利用选择点火发火头130单独点火；选择点火射孔弹载体122包含十个射孔弹124并且利用选择点火发火头120单独点火。
在图9中，射孔装置103接着被定位在井筒中并且射孔弹154处于需要被射孔的第一区域的位置处。图10接着示出了图9中的井筒，十个射孔弹154被点火以形成十个穿透油层套管82和水泥壳84的射孔210以与被处理的第一区域一起形成一个流动通道。图11接着示出了图10中的井筒，在射孔装置103已经向上移动并且离开第一射孔区域，所示的第一射孔区域为，通过第一组射孔210将一种支撑剂材料和载体流体的泥浆泵送到地层中，已经利用一种液压支撑剂压裂222进行增注的射孔区域。
如图12中所示，已经使用阀键装置162以使阀锁定机构172机械地接合和松开，从而可使机械止回阀装置170被松开和闭合，以将在机械止回阀装置170下方的井筒部分与在机械止回阀装置170上方的井筒部分有效地隔离，从而可在机械止回阀装置170上方对井筒中的第一组射孔210进行有效的液压密封。
图13接着示出了图12中的井筒，其中射孔装置103目前处于这样的位置，即，使第二组射孔弹142位于与第二区段相对应的深度处并且用于形成第二组射孔220。图14接着示出第二目标区域，第二目标区域是通过第二组射孔220将一种支撑剂材料和载体流体的泥浆泵送到地层中，已经利用一种液压支撑剂压裂222进行增注的射孔区域。
图15中示出了利用预射孔的滑套作为机械隔离装置的本发明的另一个可选择的实施例。为了便于说明，图15中示出了所使用的两个预射孔的滑套装置。滑套装置300和滑套装置312在增注操作之前与油层套管82安装在一起。滑套装置300和滑套装置312分别包含一个被设置在外部滑套主体302内的内滑套304。内滑套304可被移动以使射孔306暴露在井筒内部，从而在井筒和水泥壳84和地层108之间建立液体连通。在滑套用于井筒中之前，射孔306被设置在滑套中。图15中还示出了用于连接管308上的滑套移动工具310。应该注意的是，或者，滑套移动工具也可用于挠性管或者线缆上。滑套移动工具310这样设计和制造的，即，使其能够与内滑套304接合和脱开。当滑套移动工具310与内滑套304接合时，连接管308略微向上移动，使内滑套304向上移动并将射孔306暴露在井筒中。
用于图15中所示的该滑套实施例的本发明方法可包括：(a)使用滑套移动工具310以使包含在滑套装置312中的内滑套304移动，使射孔306暴露在井筒内部，从而在井筒和水泥壳84和地层108之间建立液体连通；(b)将增注处理泵送到包含在滑套装置312中的射孔306中以使地层区段和任何包围的水泥壳压裂；(c)使用滑套移动工具310以使包含在滑套装置312中的内滑套304移动，使射孔306暴露在井筒内部，从而在井筒和水泥壳84和地层108之间建立液体连通；(d)对于所需数量的区段重复步骤(a)至(c)。在所需数量的区段被增注后，例如可使用一个接着用于管上的滑套移动工具使滑套再次开启以使多个区段用于生产。
或者，滑套可具有一个滑套射孔窗，利用包含在射孔装置上的滑套移动工具可使滑套射孔窗打开和关闭。在该实施例中，滑套不包含预射孔，而是利用一种射孔装置在增注处理过程中顺序地钻出各个独立的滑套窗。在该实施例中的本发明方法可包括：(a)放置射孔装置以使第一组选择点火射孔弹被放置在对应于第一滑套射孔窗的位置处；(b)钻出第一滑套射孔窗；(c)将增注处理泵送到包含在第一滑套射孔窗内的第一组射孔中；(d)使用用于射孔装置上的滑套移动工具以在包含在第一滑套射孔窗内的第一组射孔上使内滑套移动和关闭；以及(e)对于所需数量的区段重复步骤(a)至(d)。在所需数量的区段被增注后，例如可使用一个接着用于管上的滑套移动工具使滑套再次开启以使多个区段用于生产。
图16示出了本发明的一个可选择的实施例，其中一个包括上牵引器驱动单元131和下牵引器驱动单元133的牵引器系统与射孔装置相连并且用于在井筒内设置和定位BHA。在该实施例中，处理流体被向下泵送到在线缆107和油层套管82之间的环形空间并且充分受压以进入目标射孔。图16示出了已经密封射孔220的密封球218，从而利用水力压裂212对下一个区段井下增注。接着对于所需数量的地层区域和区段，可适当地持续和重复该操作。
可利用机载计算机系统和机载发信号系统使牵引器系统是自推进和对其进行控制以使其无需通过与电缆和管相连而定位、控制和/或启动牵引器系统。另外，可利用机载计算机系统和机载发信号系统控制在射孔装置上的各种元件以使其无需通过与电缆和管相连而定位、控制和/或启动所述元件或者与所述元件相通。例如，牵引器系统和/或其他井底组件部件可带机载电源(例如，电池)、计算机系统和数据发送/接收系统以便可利用远程发信号装置从地面对牵引器和射孔装置部件进行远程控制，或者可在地面对各种机载计算机系统进行预编程以便当用于井筒中时执行所需的操作顺序。这样一种牵引器系统特别适用于水平和斜井筒的处理，根据射孔装置的尺寸和重量，对于射孔装置的设置和定位可能需要附加的作用力和能量。
图17示出了使用研磨(或者腐蚀)射流作为用于对井筒射孔的装置的本发明的一个可选择的实施例。研磨(或者腐蚀)流体喷射在石油工业中是一种用以切割和射孔井下油管柱和其他井筒和井口部件的常规方法。挠性管或者连接管的使用提供一种使用研磨射流切割技术的流动导管。在该实施例中，喷射根据的使用使高压力高速研磨(或者腐蚀)流体系统或者泥浆通过管道和喷嘴被泵送到井下。研磨(或者腐蚀)流体通过油层套管壁、水泥壳切割并且穿透地层以提供与地层相通的流动通道。在增注作业过程中，在整个完井层段利用该喷射工具可设置孔和狭槽的任意分配。
通常，如果对于井筒特定射孔应用需要使用研磨固体材料，那么利用宽范围的流体系统(水、凝胶、石油和组合液体/气体流体系统)和多种研磨固体材料(砂、陶瓷材料等)在泵送条件的宽范围下可容易进行研磨(或者腐蚀)流体切割和射孔。由于这种喷射工具的长度大约为1英尺至4英尺，因此与当使用常规的选择点火射孔枪组件作为射孔装置时所需的高度相比，地面润滑器系统的高度要求(可能高达60英尺或者更大)被大大降低。降低地面润滑器系统的高度要求具有一些优点，包括降低成本和操作持续时间。
图17示出了一种用作射孔装置的喷射工具410和用于将喷射工具410悬在井筒中的挠性管402。在该实施例中，一种机械套管接箍定位器418用于BHA深度控制和定位；一种单向全开止回阀接头404用于确保流体不会向上流向挠性管402；以及一种剪切-释放/打捞颈接头406用作安全释放装置。喷射工具410包含用于加速和引导被向下泵送到挠性管402的研磨流体以直接冲击的方式喷射到油层套管82上的射流端口412。
图17示出了已经用于设置射孔420以穿透所针对的第一地层区段；已经利用水力压裂422对所针对的第一地层区段进行增注；以及接着已经利用作为导流剂的微粒导流器426对射孔420进行液压密封。图17还示出了已经用于在所针对的第二地层区段中设置射孔424以便可利用多阶段液压支撑剂压裂处理的第二阶段对射孔424进行增注。所述实施例可用于多区域的多阶段液压或者酸裂、多区域的多阶段基质酸化和垂直的、倾斜的和水平井筒的处理。例如，本发明提供了一种形成多个与水平或者倾斜井筒横交的垂直(或者略微垂直压裂)的方法。这样一种技术可从在一个地区中认为是开发不经济的地点经济地完成多个水平或者倾斜井筒。
与目前的技术相比，其中一个优点是，被处理的区域顺序可被精确控制，这是由于仅打开所需射孔的区段并且与地层液体连通。因此，在泵送处理之前，可根据各个区域的特征使各个处理阶段的设计达到最佳。例如，在水力压裂的情况下，压裂作业的尺寸和各个处理参数可被改变以为每一个单独的区域提供最佳的增注。
由于多个区域被同时处理，因此大大降低了非最佳增注的可能性。例如，在水力压裂的情况下，本发明可使支撑剂过度冲入或者非最佳设置于压裂中的可能性达到最小。
本发明的另一个优点是，处理的多个阶段可以不中断的形式被泵送，从而与其他需要在处理阶段之间将射孔装置从井筒中取出的技术相比大大地节约成本。
另外，本发明的另一个主要优点是，与其他需要多行程的方法或者可使用单行程但需要较容易机械失效或者操作失常的比较复杂的井下设备的方法相比，关于井筒的危险达到最小。本发明可用于在倾斜和水平的井筒中进行多阶段处理并且确保利用独立的阶段对各个区域进行处理。通常，在倾斜和水平的井筒中的其他常规导流技术更复杂，这是由于导流材料的流体输送的性质在长区段上通常与倾斜和水平的井筒有关。对于水平的和倾斜很大的井筒，一个可采用的实施例是使用漂浮和非漂浮的密封球的结合来在所有射孔条件下增强就位。
该方法将用于控制各个区域处理的所需顺序。例如，如果在高温和高压下密封球材料性能可能回出现问题，可能需要从顶部到底部处理以使密封球暴露在与较大的井筒深度相关的较高温度和压力下的持续时间达到最小。或者，可能需要从井筒的底部向上处理。例如，在水力压裂的情况下，通过从井筒的底部向着顶部处理可使滤砂的可能性达到最低。也可能需要按照从应力最低的区段到应力最高的区域的顺序对各个区域进行处理。一个可选择的实施例是使用射孔喷管以使密封球伸入井筒的距离不大或者完全没有伸入到井筒中，如果射孔枪的移动通过已经处理过的区段时需要提供更大的挠性。
除了密封球以外，在本申请中也可使用其他的导流材料和方法，包括但不限于诸如砂、陶瓷材料、支撑剂、盐、蜡、树脂或者其他有机或者无机化合物的颗粒或者利用诸如粘性流体、凝胶流体、泡沫或者其他化学合成流体的可选择的流体系统；或者利用限制进入方法。
为了进一步说明利用一种线缆输送的选择点火射孔枪系统作为射孔装置以及密封球用作导流剂进行多阶段液压支撑剂压裂增注的一个示例，该设备的使用和操作步骤如下：
1.钻井并且利用水泥处理的油层套管穿过被增注的区段。
2.通过利用开孔和/或套孔测井的常用工业技术确定在完井区段内被增注的目标区域。
3.利用一种选择点火射孔枪系统建立线缆的卷轴。
4.对于一种特定的应用，根据实际需要，通过安装适合的法兰、流动控制阀、注入端口和线缆隔离工具形成适用于水力压裂操作的井口。
5.利用适合尺寸的润滑器和由起重机悬吊的线缆“防喷器”将线缆输送射孔系统安装到井口上以进入井筒。
6.接着将射孔枪系统下井并且处于适当的深度以直接穿过被射孔的第一区域放置第一组炸药。
7.最好进行地面工序“试运行”以确定涉及增注操作的所有部件的功能的人员活动的实际合作。试运行可包括在射孔和压裂操作过程中的无线电通讯的测试和所有适合的地面设备操作的试验。
8.对于从被射孔的第一区域直接穿过设置的第一选择点火射孔枪，可在不平衡的条件下对油层套管进行射孔。在射孔后，泵车可进入管线并且水力压裂支撑剂增注处理的第一阶段被泵送到第一组射孔中。该步骤还可在不平衡射孔的条件下提供关于地层压力的数据以便当使用和放置密封球时可使井筒中压力保持在目前放置球之前的压力以上，从而当对下一个区域射孔时确保密封球不会脱落(在较低的压力下可能会发生)。如果在该射孔过程中出现枪的差压卡钻，可通过使枪的取向得到深度调整使其在需要射孔的区段的上方或者下方几英尺来进行后续的射孔。接着以3.048-4.572m(10至15英尺)/分钟的速度在井筒中向上或者向下移动线缆。当在射孔工具上的套管接箍定位器达到适于穿过该区域射孔的深度时，枪点火同时移动，接着使枪持续在井筒中向上或者向下移动直至其经过射孔。
9.在最后的增注步骤完成后，将线缆和枪系统从井筒中取出并且最好尽早地从增注区域开始生产。该方法的一个主要优点在于，在作业过程中出现异常的情况下，可能需要临时终止处理以使处理持续进行的能力受到影响。这样的异常的情况可能包括设备失效、人为错误或者其他不可预料的情况。在其他的多阶段增注方法中，在泵送增注流体之前在所有区段中射孔，如果遇到作业异常的情况，需要过早停止作业，对于所有需要的区段进行有效增注是非常困难的。
该实例利用一种可利用线缆进行输送并可以有选择点火射孔枪装置完成多阶段液压支撑剂压裂增注作用，其中射孔枪被用作射孔部件，而密封球被用作导流剂，下面的说明限定了用于对各种处理条件和一些情况作出反应的边界条件，上述的情况是指可能遇到而且在处理过程中不能有效缓解并导致增注效果欠佳的情况。为使与井下密封球定位相关的速度和压力产生波动的可能性最小，现场试验表明：射孔枪应在使压力增加量尽可能大同时又不降低喷射速度或压力的前提下完成点火。例如，在本发明的现场测试中，良好的导流效果是根据被增注后的测井仪(log)推断出来的，数据处理表明：压力增加量(与井下密封球到位并定位有关)的数量级在几秒钟(一般约为5到10秒)内就可以达到10342.5-13790KPa(1500至2000psi)，如果可以有选择点火的射孔枪定位在下一区域，那么只要观察到这种近似即时的压力升高量很大，那么就射孔枪就可以点火。
如果观察到的压力反应其幅度较小或持续时间较长，那么就表明：这些射孔没有以最佳方式得到密封。在任何一种特殊的工作过程中，一般都不大可能清楚地识别出密封效果欠佳的原因，因为可能存在多种可能的原因，这些原因包括下述的一种或全部：(a)并非所有的密封球都被输送到井下；(b)某些密封球在操作过程中脱位并没有重新回位；(c)某些密封球在操作过程中失效；和/或(d)射孔质量差，从而导致不完全密封。
但是，可通过继续执行下一处理阶段并在下一处理阶段结束时注入过量的密封球的方式有效地缓解“未知”的不利条件，而且基本不会影响处理效率。可以注射的过量密封球的实际数量可由现场工作人员根据实际处理数据来确定。应该注意：这种决定(确定待注入的过量密封球的实际数量)需要在4至10分钟内作出，因为这可能就是射孔和注入密封球之间的常规运行时间。
一种用于执行处理操作的最佳策略就在于：根据对裸井和下套管井的数据分析及单个井的成本和增注操作的经济性，将每个射孔区段划分为高优先权区域或低优先权区域。如果在指定的阶段观察到不完全的球密封(不完全的球密封可被定义为观察到的结果与根据射孔的数量和泵送速度而确定的预期压力增加量相比较，或者通过比较射孔前后的压力反应)，那么最好在至少另一个阶段继续进行这项工作，以重新形成球密封。如果位于密封效果较差的阶段之上方的下两个区域被指定为高优先级区域，那么在下一阶段将有过量的密封球被注入；如果还是能够观察到有些密封球没有正确定位的话，那么最好停止这项工作。如果重新形成了良好的密封，那么最好继续进行这项工作。
但是，如果位于最初密封不好的阶段的上方的下一区域是一个优先级较低的区域，那么过量的密封球将被注入下一阶段内。即使该下一阶段密封得也不好，而且已经发现有些密封球没有正确定位，也可以继续这项工作，而且过量的密封球可再次被注入第三阶段内。如果在这两个连续的尝试之后，仍然未能重新形成良好的密封，那么最好停止这项工作。
如果一个区域存在密封问题，那么就可以采用一个与上述内容类似的规程，从而无需中断处理工作，就能够使优先级别高的受增注区域的数量最大化，同时保持前面区域内球密封良好。另外，对特殊处理工作的决策还要根据该特殊工作的经济性作出。后续处理的诊断测井可用于对在处理过程中存在的所有困难的严重性和影响进行分析。
如果现场人员相信(根据处理数据推断出)：某些射孔弹没有被点火，从而不能完成处理操作(由于高压或速度限制)，那么就可以采用一种与下述内容类似的策略来完成这种处理操作。可在相关的射孔区域内使另一射孔枪点火，并在该阶段注入过量的密封球。如果相信第二支有选择点火的射孔枪上的射孔弹没有被点火，从而不能完成处理操作，那么这项处理操作就应该停下来并将射孔枪从井筒内取出，以对其进行检查。
如果可以有选择点火的射孔枪没有点火(根据处理压力的响应、电路响应、可听指示器或导线的移动推断出来)，那么就可以采用一种与下述方法类似的策略来完成处理作业。如果在作业的早期就出现故障，那么现场工作人员可以决定：泵送操作可以继续进行。射孔枪可被带到地面并进行检查。根据对射孔枪的检查结果和对继续进行的泵送操作作出的处理响应，构造一种新的射孔枪并将其运送到井筒内，接着就可以继续进行处理操作。如果在作业的后期发生故障，那么该项工作应该停止。最好安装桥式插塞或一些机械密封部件，以利于对后面阶段的处理。
上述的方法提供了一种鉴于可能发生的操作故障或欠佳的井下问题而能够有利于完成经济上可行的增注处理的方法，如果操作故障或井下问题未能得到解决，那么增注处理就会失败。
假设多个同步操作与这种新发明有关，而且一个射孔部件在泵送流体的同时悬挂在井筒内，那么在这种操作过程中可能存在一些利用其它多阶段增注方法通常不能遇到的危险。某些设计和执行步骤可用于降低在操作过程中由于这些增加的危险而出现操作故障的可能性。下面的实例就是基于一个177.8mm(7英寸)的套管和66.675mm(2-5/8英寸)的射孔枪作出的。采用一个能够防止线缆受到支撑剂直接冲击的隔离工具，采用一个7.9375mm(5/16英寸)的线缆，该线缆最好设置有30根直径为1.13mm的双层铠装电缆，另外还要使流体速度低于常规的侵蚀极限(约为54.864m/秒(180英尺/秒))，所有这些措施都将降低由于侵蚀而使线缆出现故障的可能性。现场测试表明：当以小于30至40bpm的速度泵送支撑剂时，支撑剂对线缆没有什么影响。可以通过选择具有合适强度的线缆，在谨慎的工程极限内保持张力并确保设备按照正确的习惯(例如最好采用一组新的缆线插口)组装并连接在一起。建议采用抗断强度为4989.6kg(11000磅)、最大工作张力为24465.1kg(5500磅)且至少为7.9375mm(5/16英寸)的线缆，如果组装在一起的电缆和工具的重量约为771.12kg(1700磅)的话。应该对线缆的重量指示器进行监控，以不使其超过最大张力。可根据控制张力的需要，使泵送速度减小或停止。在出现故障的情况下，如果硬件被埋在支撑剂内，那么就需要将其打捞出来，也可以采用挠性管对这些硬件进行冲洗。
另一问题就是射孔枪在射孔过程中或恰好在射孔后可能出现不同程度的卡住现象，该问题可通过使炸药在射孔枪上偏移定位的方式来解决，如果需要，也可以通过挡环(stand-off rings)或其它定位部件来解决该问题，或者在移动线缆时使射孔枪点火。如果出现卡住问题，那么可以降低处理时的泵送速度和压力，直到射孔枪被松开；或者，如果射孔枪仍被卡住，那么就可以中断操作，并使井筒逆流，从而释放射孔枪。本发明几乎可以在任何时候停止操作处理，而且对井筒其余部分的冲击最小。在不同的情况下，这可能意味着在对一个区段完成射孔作业后，在完成该区段的处理或没有对该区段进行处理，采用或没有采用任何导流剂时，停止工作。
当在一个直径为66.675mm(2-5/8英寸)的射孔枪和一个内径为152.4mm(6英寸)的套管之间采用直径为22.225mm(7/8英寸)的密封球时，就可能在套管和射孔枪之间出现密封球的桥接问题，但是如果在密封枪和套管壁之间留有一个间隙，而且该间隙的宽度大于密封球的外径，那么就可以显著降低这种可能性。另外，密封球通常由强度弱于射孔枪的材料制成，而且在射孔枪能够自由拉出的情况下，密封球还可能变形。另一可能的问题就是凝胶和/或支撑剂与射孔枪在井筒内的跨接问题，但这种危险可通过利用计算机对支撑剂和/或化学制品进行控制的方式得以解决，从而降低材料尖化的可能性(potentialmaterial spikes)。用于这些情况下的其它补救措施包括：在井筒上输送或泵送凝胶，等待凝胶破裂，将缆线插口拉出，从井筒内捞出射孔枪，如果需要，还可动用挠性管单元完成清洗操作。
尽管射孔枪可能被卡住，而且还可能导致线缆出现故障，但是，在压裂处理后，可利用一个73.025mm(2-7/8英寸)的ID隔离工具使一个66.675mm(2-5/8英寸)的射孔枪正常工作。建议的程序包括：以76.2mm至91.44m(250至300英尺)/每分钟的速度将射孔枪下入井中，以将支撑剂从工具上“清洗”掉并降低卡住的可能性。为将其完全移动到润滑剂中，需要将(流体)泵送到井筒的隔离工具内，以清洗射孔枪。
这种方法的另一问题在于：射孔枪的性能将受井筒条件的影响。假设由于井筒内存在支撑剂和超平衡压力而使有效的爆破射孔不能进行，那么最好的办法就是使用一种粘性较低的流体，例如2％的KCl水，以在泵送支撑剂阶段后为井筒提供冲洗工序。其它较好的办法包括：如果采用了磁性定位补救，就应该移动射孔枪，以促使其分散；在工具柱内设置应急射孔枪，以在射孔枪没有点火的情况下，在等待合适的时间后，继续工作。如果需要，在怀疑射孔枪没有点火的情况下，可以中止处理工作，而且不会出现传统密封球导流方法对井筒造成危险的情况。
尽管从能够使被处理的区段的数量最大化的角度考虑，最好使用短枪，但是短枪(即长度为101.6mm(4英尺)或更小)的使用可能在某些情况下限制了矿井的生产率，因为与采用长枪的情况相比，使用短枪将使靠近井筒的储集层区域的压降增加。过量支撑剂产生回流的可能性也会增加，从而导致增注效率的降低。最好以一个可控制的低速进行，以限制可能的支撑剂逆流。根据逆流的结果，可采用带树脂涂层的支撑剂或另一种替代枪来提高增注效率。
此外，当将支撑剂泵送到注射口内时，为有利于缓解因含有支撑剂的流体对线缆直接撞击而使支撑剂对线缆产生侵蚀，可以在井架上装配一个“线缆隔离部件”。该线缆隔离部件包括一个设置有一短管的凸缘，该短管沿井架的中心向下延伸到位于注射口下方几英尺的位置上。射孔枪和线缆通向该管的内部。这样，线缆隔离部件的短管就能够使支撑剂偏转并将线缆与支撑剂的直接撞击隔开。这种线缆隔离部件可包括直径为76.2mm(3英寸)至88.9mm(3-1/2英寸)的管子，以使其允许17.4625mm(1-11/16英寸)至66.675mm(2-5/8英寸)的射孔枪能够从内部延伸到该隔离部件内，同时仍然能够安装在直径为114.8mm(4-1/2英寸)或更大的油层套管和井架设备内。这种线缆隔离部件还可包括一个安装在增注流体注射口上方的凸缘，以降低或防止在处理流体注射口上方出现可能困住漂浮密封球的停滞(不流动的)流体，并防止某些或所有密封球移动到井底。该隔离部件的长度可按下述方式设计：在出现损坏情况时，下部的裂缝分析阀(frac valve)可被关闭，而且拆下(rig down)井楼，这是拆卸隔离工具所需的步骤。根据增注流体和注射方法的不同，如果没有出现腐蚀问题，那么就不必安装线缆隔离部件。
尽管对线缆隔离部件的现场检测表明：根据工作计划，不存在侵蚀问题，但是仍然存在对隔离工具的管道部件造成侵蚀破坏的可能性，这样就很难将其拆除。如果采用隔离工具，最佳的办法就是使隔离工具上的撞击速度远远低于常规的侵蚀极限，最好低于约54.864m/s(180英尺/秒)，更好的情况是低于约18.288m/s(60英尺/秒)。
该技术中存在的另一问题在于：如果没有在正确的时间内进行射孔，那么就可能出现过早筛选的情况，因为这样就很难利用含有支撑剂的流体在下一区域内开始压裂作业。最好使用氯化钾(KCl)流体作填料(pad)，而不是用交联填料，目的是更好地开始下一区域的压裂操作。在阶段之间以较高的速度泵送2％的氯化钾水能够对套管进行紊流清洗/清扫，或利用快速清洗设备，这样就能够降低支撑剂被筛选出来的可能性。另外，在工具组上设置应急枪也能够在等待合适的时间后机械工作。
类似地，如果密封球出现问题，或者，如果打开作业没有在合适的时间内进行，那么前一区域就可能被过度冲洗。以较高速度泵送氯化钾流体填料从而利用紊流对套管进行清洗/清扫，有利于防止过度清洗。可利用前一阶段的结果和数据来估算密封球到达井下的时间和泵送体积，这样就能够对其进行调整，以改善结果。
尽管最好使用可漂浮的密封球，但是，在某些应用条件下，处理流体可以具有足够低的密度，以使从市场上可以买到的密封球不能漂浮；在这些情况下，可以采用不能漂浮的密封球。但是，由于具体的处理设计不同，因此密封球在射孔上的定位和密封就可能存在问题。本发明能够使过量的非漂浮性密封球的失落数量下降到需要密封的射孔的数量之下，从而确保每组射孔都能够被完全密封。这样就可防止后面的处理阶段波及到该区域，而且过量的非漂浮性密封球也能够落入井筒的底部，并不会于其余的处理操作发生干涉。本发明的这方面允许使用特殊的压裂流体，例如氮气、二氧化碳或比重低于所有现存密封球的其它泡沫。
一个六阶段液压支撑剂压裂增注处理方法已经成功地完成，而且所有六个阶段都按照计划被泵送流体。该工作的第一区域被预先射孔，在该项操作过程中，一共有六支可选择点火的射孔枪执行了点火操作。可选择点火的枪1至5被构造成能够在每英尺发射4枪(spf)共发射16枪的结构形式，同时在发射之间分别移位-7.5°、0°、+7.5°，以降低射孔枪被卡住的可能性。可选择点火的枪6是一支备用枪(其能够以2spf的速度发射16枪)，该备用枪可以作为一种应急选择，以用于发生过早筛选的情况下，另外处于安全角度考虑，最好在将射孔枪从井筒内取出之前完成点火。
在与第一和第二密封球注入和射孔有关的时间段内，最小的泵送干扰与快速清洗操作一起发生(而且在处理方法的后续阶段中被分解)。射孔枪会在两个处理阶段以不同的方式被卡住，而且在这两个处理阶段，可通过降低注射速度而使射孔枪“不被卡住”。对枪的后续检查工作表明：在第四个有选择点火的射孔枪上的一包炸药和第五和第六有选择点火的射孔枪上的三包炸药没有被点火。
在第三个密封球注入过程中和第四区段的射孔过程中，压力升高不象前面的过程那样显著，假设一些射孔没有完全被密封球所密封。对压力响应减小的另一种似是而非的解释就在于：前面已经受到挤压的射孔可能已经在前面的阶段被破坏(这种推测已被处理后的温度测井所证实)。在该过程中，消除了由于快速清洗操作而产生的干涉问题。
压裂增注之后的约5个小时的温度测井表明：所有的区域都已经被流体处理过，这是对存在于每个射孔区段内的低温异常(与在增注活动前获得的基准温度相比)进行推断得出的结论。此外，测井数据还表明：在压裂处理和接收流体的过程中以前受到挤压的射孔产生破坏的可能性，从而为在第三操作阶段观察到的压力异常提供可能的解释。测井工作是在前期的逆流约为裂缝分析流体的套管体积后随着矿井的关闭而进行的。
在该增注处理过程中，共有109个比重为0.9的带橡胶涂层的苯酚密封球被灌注，从而密封80个指定的射孔。密封球是在使用前通过在压力约为55157KPa(8000磅/每平方英寸)的条件下检测其性能而选取出来的。在处理后，回收了91个密封球；可以清楚地看到：共有70个密封球位于射孔的凹口内(其中几个具有多种可能的射孔标记)，这表明它们已经成功地定位在射孔上，而且有4个密封球被侵蚀。有21个密封球没有射孔标记，这样就不能确定这些密封球实际上是否到位，或者并非因为将一个可见的永久标记设置在密封球上需要巨大的压差。被侵蚀的密封球表示处理方案最好允许单个密封球出现一些故障。
本领域的技术人员应该知道：在实例中没有具体说明的许多工具组合和导流技术与本发明在功能是等同的。
Claims (21)
1、一种用于对被一带套管的井筒穿过的一个或多个地下岩层的多个区段进行处理的方法，所述方法包括：
a)用一射孔设备在一个或多个地下岩层的至少一个区段内射孔；
b)无需将所述射孔设备从所述井筒内取出，将处理流体泵送到由所述射孔设备在所述至少一个区段上打出的多个射孔内；
c)在所述井筒内使用一种或多种导流剂，从而以可移开的方式堵住流体，以防止流体进一步流入所述射孔内；
d)在所述一个或多个地下岩层的至少一个以上的区段内重复执行步骤a)至步骤b)；
其特征在于：在步骤a)后和在可拆卸地堵住进入所述射孔内的流体之前的某一时刻，所述射孔设备被移动到一个位于在步骤(a)中被射孔的所述至少一个区段上方的位置上。
2、根据权利要求1的用于对被一带套管的井筒穿过的一个或多个地下岩层的多个区段进行处理的方法，所述方法包括：
所述射孔设备由一个包括有多组聚能射孔弹的可以有选择点火的射孔设备构成，每组有一个或更多个射孔弹；
所述导流剂由密封球构成。
3、根据权利要求1的方法，还包括：在所述一个或多个地下岩层中的一个以上的区段内重复步骤c)的工序。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于：用于所述井筒内的导流剂是从下面的材料中选取的：密封球、颗粒、凝胶、粘性流体和泡沫。
5、根据权利要求1的方法，其特征在于：用于所述井筒内的所述导流剂是至少一个机械式滑套。
6、根据权利要求5的方法，其特征在于：所述射孔设备还可用于操控所述机械滑套。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于：用于所述井筒内的所述导流剂是至少一个机械挡板阀。
8、根据权利要求7的方法，其特征在于：所述射孔设备还可用于操控所述机械挡板阀。
9、根据权利要求1的方法，其特征在于：一个线缆用于将射孔设备悬挂在所述的井筒内。
10、根据权利要求9的方法，其特征在于：一个线缆隔离部分定位在井筒内并设置在靠近所述处理流体进入所述井筒内的位置上，以防止所述线缆受到所述处理流体的侵蚀。
11、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述处理流体从下述这组材料中选取：支撑剂和载体流体形成的浆液，一种不含支撑剂材料的压裂流体，酸溶液和有机溶剂。
12、根据权利要求1的方法，其特征在于：一个管柱用于将射孔设备悬挂在所述井筒内。
13、根据权利要求12的方法，其特征在于：一个管状隔离部分设置在所述井筒内靠近所述处理流体进入所述井筒的位置上，以防止所述管受到所述处理流体的侵蚀。
14、根据权利要求12的方法，其特征在于：所述管柱从挠性管和接合管中选取。
15、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述射孔设备是一种可以有选择点火的射孔枪，其包括多组聚能射孔弹，每组有一或更多个射孔弹。
16、根据权利要求12的方法，其特征在于：所述射孔设备是一个射流切割装置，该部件利用沿所述管柱向下泵送的流体在所述井筒和所述一个或多个地下岩层的所述一个或多个区段之间建立液体连通。
17、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述井筒具有套管输送的射孔弹，这些炸药在与所述一个或多个地层的所述多个区段相对应的位置上固定于所述套管上，所述射孔设备操控着至少一个通过套管输送的炸药，目的是对所述一个或多个地下岩层的至少一个区段进行射孔。
18、根据权利要求1的方法，其特征在于：一个牵引部件用于在所述井筒内移动所述的射孔设备。
19、根据权利要求18的方法，其特征在于：所述牵引部件由一个地面计算机系统进行操控，该计算机系统还控制着所述的射孔设备。
20、根据权利要求18的方法，其特征在于：所述牵引部件由一个线缆通讯来操纵和控制。
21、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述射孔设备连接有一个深度定位器，该定位器用于控制所述射孔设备在所述井筒内的位置。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20070207 |