CN1303309C - 控制可渗透地层中注入裂缝扩展方向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制从地层(1)中开采石油或者天然气的方法，包括依次形成第一和第二开采钻井(105、110)，它们基本上水平地进行延伸；在所述开采钻井处，形成另外一个钻井(115)；开始开采石油和/或天然气；并且在开采的同时，持续一个第一时间周期T1将一种液体输送至所述另外一个钻井(115)，并且流入地层(1)之内。本发明，通过在时间周期T1中影响地层的孔眼压力，以便沿着一个钻井，控制裂缝的形成。以低速进行注入预示着在时间周期T₁内至少一次确定出最大容许注入速度I_max，当关系式σ′_hole.min＜＝σ′_h满足时保持另外一个钻井(115)的注入速度I低于所述最大容许注入速度I_max，避免在所述另外一个钻井(115)中发生裂纹断裂现象。

Description

控制可渗透地层中注入裂缝扩展方向的方法

技术领域

本发明涉及一种经过改进的通用方法，其中为了从地层中开采出石油或者天然气，依次形成一个第一开采钻井和一个第二开采钻井，并且构造另外一个钻井，即所谓的注入井，该钻井在第一与第二钻井处及其之间进行延伸，其中在开采石油或者天然气的同时，持续一个时间周期T₁，将一种液体输送至注入钻井中，并且流入地层之内。

背景技术

本发明基于这种事实，即在以高注入速度将液体供送至一个注入钻井的过程中，会产生出裂缝，这些裂缝穿过地层中那些本身比较脆弱的区域和/或沿着地层最大水平应力σ′_H的方向从注入钻井开始扩展。在一般情况下这些裂缝是不希望的，因为它们意味着液体会不受控制地从注入钻井直接流入相邻的第一或者第二开采钻井之内，这将意味着工作状况不是最佳状态。但是，一般来说裂缝的形成具有这样的优点，即所供给的液体可以横跨一个较大的竖直表面更为快速地被输送入周围地层之内，并且因此能够更为快速地置换出石油或者天然气。

美国专利No.5482116提出了一种控制从井眼致生液力裂缝的方向的方法。该方法并未在断裂之前通过开采和注入操作来对应力场进行诱导改变。

发明内容

利用本发明，力图提供一种非常独特的裂缝，其从注入钻井开始延伸，以便优化石油或者天然气的开采。更具体地说，本发明旨在能够以这样一种方式控制这些裂缝的扩展现象，即裂缝具有一条受控路线(course)，并且将沿着注入钻井并且与该注入井一致地在一个竖直平面中延伸到更宽范围。

本发明的技术方案如下：

根据本发明，提供一种在可渗透地层中控制注入裂缝扩展方向的方法，石油和/或天然气从可渗透地层中被开采出来，该方法包括：在地层中，依次形成第一和第二开采钻井；在开采钻井处，形成另外一个钻井，该钻井在第一与第二开采钻井之间进行延伸；开始开采石油和/或天然气；在开采石油或者天然气的同时，将一种液体输送至所述另外一个钻井且流入地层之内持续第一时间周期T₁；其特征在于：为了避免当供给液体时在所述另外一个钻井中发生裂纹断裂现象，在时间周期T₁，至少一次估计确定最大容许注入速度I_max；在所述第一时间周期T₁内，将被供送至另外一个钻井的液体的注入速度I保持低于最大容许注入速度I_max；以及在时间周期T₁终止之后，当关系式σ′_hole.min＜＝σ′_h已经满足时，沿着另外一个钻井将注入速度I提高至一个高于I_max的值，其中σ′_h是所述另外一个钻井井壁处的最小水平有效应力分量，而σ′_hole.min是最小周向有效压缩应力。

优选地，所述钻井被确定在具有一个基本上水平的延展区域。

优选地，在构造钻井之前，在这些钻井的预定位置区域对地层的初始有效主应力σ′_H的方向进行估测；并且钻井被形成为相对于该方向以一个+/-25度内的角度进行延伸。

优选地，所述另外一个钻井在第一与第二钻井之间大致等距离地进行延伸。

优选地，所述另外一个钻井在供给液体之前被设有一个衬套。

优选地，在所述液体被输送至另外一个钻井之前，为了增强液体在地层中的散布，通过供给酸液来增产所述另外一个钻井。

结合前面描述的方法，这一点可以通过在时间周期T₁中至少一次估计确定出最大容许注入速度I_max来实现，以避免在供给液体时在注入钻井中产生裂纹断裂现象，其中在所述第一时间周期T₁中，将被供送至注入钻井的液体的注入速度I保持低于最大容许注入速度I_max，并且其中在时间周期T₁已经完结之后当关系式σ′_hole，min＜＝σ′_h已经满足时，将注入速度I提高至一个高于I_max的值。在本文中使用的词语“注入速度”用于指示被供送至注入钻井的液体的量，表示为每单位时间的量。

在本发明中，用于避免发生断裂的最大容许注入速度I_max比如利用所谓的“台阶流速”测试加以确定或者估测，其中注入速度逐步提高，同时对井眼中的主要压力进行监控。当反映这种关系的曲线突然改变其斜度时，按照目前的理论，这种改变被认为是裂缝扩展的开始，并且在下文中，导致产生这种裂缝的注入速度I被标记为I_max。

优选地所述钻井被确定成能够基本上水平地进行延伸，由此对于本发明来说更好地利用地层的竖直应力。在本文中使用的“基本上水平地”用于指示井眼相对于水平面在一个+/-25度的角度范围内进行延伸。需要指出的是，本发明也可以在该范围之外进行应用。

进一步优选的是，在确定所述井眼之前，对井眼预定位置区域中的地层最大有效固有主应力σ′_H的方向进行估测，并且所述井眼相对于该方向在+/-25度的区间内进行延伸。

下面将参照附图更为详细地对本发明进行阐述，在附图中示出了一个示例性实施例。

附图说明

图1示出了两个开采钻井，石油或者天然气从其中开采出来，并且示出了周围地层中的主应力的方位；

图2示出了在开采六个月之后图1中所示地层内的应力；

图3示出了两个开采钻井，石油或者天然气从其中开采出来，并且示出了一个注入钻井，液体被供送至其中，还示出了周围地层中的主应力的方位；

图4示出了在开采六个月和注水三个月之后图3中所示地层内的应力；

图5解释了在注入钻井处的组成应力符号；

图6示出了恰好位于图5中所示注入钻井上方的应力随着时间流逝的演变状况；而

图7示出了注入井中的压力与注入速度之间的一般关系。

具体实施方式

在图1中，附图标记5、10指代的是两个开采钻井，用于从白垩地层1中开采出石油或者天然气。开采钻井5、10在地层1中以一个比如低于海平面7000英尺左右的深度于一个大致共享的平面内进行延伸。所示出的共享平面是水平的，但是其也可以具有任意方位。例如，开采钻井5、10可以在这样一个平面中进行延伸，即该平面相对于水平面在大约+/-25度的区间内发生倾斜。

以一种常规方式，开采钻井5、10经由在区域16、20中向上定位的井眼而被连接到一个井口(a well head)上，来自于地层1的石油或者天然气从这里被供送至一个位于地面上的分配系统。如同通常情况那样，井眼5、10、16、20通过从地面进行钻井而形成。

开采钻井5、10可以具有比如大约10000英尺的长度，并且最好相互平行延伸，比如以大约1200英尺的距离平行延伸。但是，在本发明的范围之内，开采钻井5、10可以从区域16、20沿着一个方向略微发散。图1中所示出的情形代表了一种实际发生的钻取过程，用于描述距离的比例尺以英尺为单位。

本发明旨在于地层中提供一个应力场，该应力场确保了通过在足够高压力和速度进行注入所致生的裂缝沿着开始产生该裂缝的钻井进行延伸。

本发明假设已知了地层的初始应力状态，即在启动任何实质性开采或者注入之前的应力状态。在多数情况下，地层中的应力场将首先被定位成使得主应力由两个水平应力分量和一个竖直应力分量组成。在这种情况下，对初始有效应力场进行确定需要确定四个参数：σ′_v，它是竖直的有效应力分量，σ′_H，它是最大的水平有效应力分量，σ′_h，它是垂直于σ′_H的水平有效应力分量，以及σ′_H的方向。σ′_v的值通过上覆地层的重量减去孔眼液体(the pore fluid)的压力p而获得。孔眼液体的压力p可以借助于标准设备从钻井的侧壁上测定出来。上覆地层的重量可以比如通过对其进行钻取操作而得以确定，基于沿着钻井所获得的测定结果，沿着钻井计算出地层的密度，并且最终通过求和确定出每单位面积的总重量。在当σ′_v是三个主应力中较大应力的情况下，σ′_h的确定比如可以通过形成水力压裂(hydraulic fractureformation)来实现，更具体地说，通过对水力致生裂缝(a hydraulicallygenerated fracture)结束处的应力进行测定来实现。在当σ′_v+ξ(3σ′_h-σ′_H)＞3σ′_h-σ′_H的情况下，其中ξ表示的是地层的泊松比，σ′_H的确定比如可以通过使得一口竖直钻井发生断裂而进行，其中断裂压力将是(σ′_H-σ′_h)和σ′_h的一个函数。在当σ′_v是三个主应力中的较大应力时，σ′_H的方向可以通过测定水力致生裂缝的方位而得以确定，假使地层具有各向相同的强度特性，所述水力致生裂缝将在一个与σ′_H相一致的竖直平面中进行延伸。如果本发明被用于一种井网中的压裂钻井，那么预先知晓σ′_H的值将不再是必要的，其中所述井网如同优选的那样沿着σ′_H的方向。

当在矿区中进行开采时，在地层中流动的液体和/或天然气将改变地层的应力状态。为了用于对油藏中的应力状态进行连续测定，除了了解应力的初始状态之外，还需要对油藏内的液流进行模型计算以及对蓄油岩石中的引起的有效应力进行模型计算。通过输入开采和注入速度的测定结果以及来自于钻井的压力，流量模拟可以利用标准的模拟软件来完成。利用计算出的应力场，可以导出压力梯度场，其决定了体积力，在体积力的作用下固态地层按照下述公式受到影响：

1)b_x＝-βdp/dx；b_y＝-βdp/dy；b_z＝-βdp/dz；

其中p是地层内的孔眼压力，而β是地层的毕奥因子，x、y和z是笛卡尔坐标系统中的轴。所述体积力在地层中有效应力场上的作用将遵从于弹性理论，并且比如可以利用有限元方法进行计算。

利用附图标记2，图1示出了在开采六个月之后地层1中的主应力分量σ′_H在所示出平面中的路线。如图所示，在距开采钻井5、10一定距离的地方，有效主应力σ′_H相对于开采钻井5、10的方位角α相对不受影响。在本示例中，夹角α大约为25度。标记γ还指明了σ′_H相对于由数字15所指示直线的方位，所述直线在开采钻井5、10之间的中心处进行延伸。如图所示，夹角γ大致对应于在所示示例中的夹角α。

还将会发现，恰好位于开采钻井5、10处的主应力分量σ′_H具有一个改变的方位，该主应力取向为大致垂直于开采钻井5、10，即形成一个小于夹角β的夹角。换句话说，在该区域，地层中的压缩应力将具有一个最大分量，该最大分量取向为大致垂直于开采钻井5、10。方向的这种变化起始于开始进行开采时，并且由于周围液体流入开采钻井5、10内所导致。

图2在一个贯穿地层的横剖视图中示出了在图1中所示的情形下在开采六个月之后应力σ′_h和孔眼压力p的变化状况，直线5′、10′指示了两个包含开采钻井5、10的纵向延伸竖直平面。

图3示出了如何使用根据本发明的方法来从图1中所示开采钻井获得经过改善的工作状况，在下文中，所述开采钻井将被标记为附图标记105、110。因为考虑了开采钻井105、110的位置，所以所示出的状况对应于参照图1所示出的技术教导。

将会发现，沿着一条对应于图1中直线15的直线，形成有另外一个钻井，在区域125中，该钻井从地层延伸至地面，在这里被连接在一个泵上，用于将液体，最好是海水，供送至钻井部分115内。在下文中，所述另外一个钻井部分115将被称作“注入钻井”。

优选的是，注入钻井115与开采钻井105、110具有相同的长度，并且一般将不进行衬套处理，也就是说钻井的侧壁同样由地层1中的多孔物质构成。但是，也可以对钻井115进行衬套处理。

此外，图3借助于曲线族102示出了在开始开采之后六个月后的地层1中的应力关系。这种应力关系反映出，持续一个恰好对应于前三个月时间周期T₁，液体，最好是海水或者地下水，已经经由注入钻井115并且在特定压力状况下被供送至地层1中，这些将在下面予以详细讨论。

正如众所周知的那样，将液体供入多孔的地层中通常涉及使得开采钻井105、110之间地层1内的石油或者天然气比如朝向开采钻井105、110发生横向移动，以便使得原先在此的液体被更为快速地开采出来。利用本发明，所供给的液体可以引起应力状态沿着注入钻井进一步发生变化。正如在图3中示出的那样，这一点可以根据本发明的方法由注入钻井115所定义的直线与主应力的方向σ′_H之间的夹角γ′小于对应夹角γ而得到证明，所述夹角γ为在没有供给液体条件下的状况，参见图1。在所述区域，沿着整个注入钻井对这种改变加以检测。事实是，在注入钻井附近，σ′_H的方位被定位成大致平行于注入钻井115，正如将在下面更为详细描述的那样，有助于实现本发明所希望达到的效果。作为本发明的一个优选实施例，选择开采钻井105、110以及注入钻井115，以便它们最大程度地沿着地层的自然的有效主应力σ′_H的方位102，在开始供给液体之后的最初阶段，可以提供实现利用本发明所希望达到的效果的有利条件。

正如将从图4中显现出的那样，其中该图示出了在图3所示情形下地层1中的应力状态，作为供给液体的结果，在注入钻井115处，所述区域中的σ′_h的值将小于在图2中所示出的对应值。

正如开头所提及的那样，本发明基于这种发现而做出，即在以较高注入速度将液体供送至一个注入钻井的过程中，会产生所不希望的裂缝，这些裂缝从注入钻井开始扩展，并且延伸入相邻的开采钻井中之一内。对图3进行研究将会发现，这种随机延伸的裂缝如同由附图标记200所勾勒出的那样。所示出的裂缝竖直地延伸出纸张平面，但是根据地层1中的主要状况，这些裂缝可以沿着任意其它方向延伸。

利用本发明，其旨在获得与延伸出注入钻井之外的裂缝相关联的优点带来的好处。对图3进行研究将会发现，利用本发明，在很大程度上，可以提供一种呈较宽竖直沟槽形式的有益裂缝，其沿着注入钻井115并且与该注入钻井115相一致地进行延伸。

为了获得按照本发明的预期效果，在进行开采的同时，首先以一个相对较低的注入速度I将液体供送至注入钻井115。这种状态至少保持一个时间周期T₁，正如所提及的那样，这将导致应力场在注入钻井周围被重新定位，由此数值最小的法向应力分量σ′_h将被定位成大致垂直于注入钻井115的路线。换句话说，保持地层处于受压状态的最小应力被定位成朝向希望在其中获得裂缝的平面。在时间周期T₁中，注入钻井115中的液体压力P将小于或者等于导致在地层中发生拉伸断裂(tension failure)的压力P_f，即断裂压力，并且在时间周期T₁中，注入速度I将小于或者等于导致在地层中发生拉伸断裂的注入速度I_max。

由于将液体供送至注入钻井115，所以将在地层中沿着注入钻井的圆周产生局部应力改变，并且本发明利用了在钻井115处的这种缺口效应。

前面讨论了液体的流动如何改变油藏中的应力场。引起的应力场可以通过将应力变化量添加到应力的初始状态上而计算出来。尤其是，应力可以沿着油藏中的一条直线进行估测，即位置115，注入钻井沿着该直线钻取而成。

在前面，没有涉及由于在地层中出现孔洞而导致环绕钻井的应力场发生局部变化。在一条起始于钻井的半径之内，其中该半径大约为孔洞半径的三倍，应力场将取决于贯穿油藏沿着所述直线估测出的应力场，但是将明显区别于该应力场，其中所述钻井沿着该直线。同样，对于本发明来说，尤其对位于井眼表面上的应力感兴趣，尤其是在孔壁处发生实际拉伸状态情况下的最小有效压缩应力或者最大拉伸应力。这种应力在下文中被表示为σ′_hole.min。在σ′_hole.min是拉伸应力的情况下，其被认为是负值，而压缩应力常常被认为是正值。在下文中，对σ′_hole.min进行计算在下面假设地层的变形为线性弹性变化。假如是这种状况，那么σ′_hole.min可以由本技术领域中的熟练技术人员沿着具有随机方位的井道(well track)进行计算，所述随机方位与随机的但已知的应力状态有关。

在水平的未经衬套处理注入井基本上平行于σ′_H的情况下(需要注意，开采和注入操作会导致这种平行性，如同在图3中所示，其不会在注入器钻取时立即产生)，并且在σ′_v、σ′_H、σ′_h均为沿着在油藏中钻取所述钻井的直线计算出的主应力，同时σ′_v＞σ′_H＞σ′_h的情况下，将会发现σ′_hole.min位于孔洞的顶部表面和底部表面上，并且利用下述表达式得出：

2)σ′_hole.min＝3σ′_h-σ′_v

其中，在本文中σ′_h和σ′_v基于弹性理论同时基于入射流量表示了地层中在注入钻井115所在区域处的有效应力，参照公式1)。

还有，在环绕水平钻井这些情况下，沿着钻井的上部和下部发现了σ′_hole.min，即如图5中所示在位于一个水平面中的两个区域内发现了σ′_hole.min。如果钻井115呈圆形，那么这些区域将位于圆圈竖直直径与该圆圈发生交叉的位置处。

如前所述，由于液流，使得σ′_h随着时间的流逝而减小，σ′_hole.min也将减小。从公式2)将会明白，当σ′_v增大时，σ′_ho1e.min会减小。从开采钻井105、110进行开采会导致σ′_v产生这种增大。

为了形成所需的裂缝，如前所述，从开始进行注入操作开始，在经过一定的时间周期T1之后，注入速度提高。

为了提高注入速度并且为了使得地层受控断裂，必须满足的条件是，在所有情况下关系式

3)σ′_hole.min＜σ′_h

已经沿着钻井部分得以满足，用于操控裂缝的扩展。

如果在所述条件得以满足之前提高注入速度，即在必要的时间周期T1终止之前提高注入速度，将会如前所述那样增大出现不希望的裂缝的风险。

事情的过程在图6中示出，该图示出了如何在开始开采之后大约90天时启动液体注入操作。在开始注入之后的时间点T₁处，前述关系式3)已经满足。在本示例中，注入操作以注入速度I持续又一个90天，在该时间点，σ′_H已经有益地经历了一个大约为15度的明显方位改变(γ-γ′)。随后，注入速度被提高至一个高于I_max的值，该值在图6中利用注入钻井中增大的压力示出。将会发现的是，σ′_hole.min的性质突然从压缩应力变化为拉伸应力，由此达到地层的拉伸强度，并且导致产生断裂。

需要指出的是，在注入速度没有提高的情况下，根据申请人的理论，也能够在一定的时间周期之后，当σ′_hole.min达到地层的拉伸强度值时，在所示出的情况下获得所需的裂缝。但是，在多数情况下这将基本上会导致延迟。

在图7中，为了确定出最大的容许注入速度I_max，通过所谓的“台阶流速”测试(the so-called“step-rate”test)提供了典型的测定结果。需要指出的是，在某些情况下，可能需要不断地对最大容许注入速度I_max进行确定。这是因为I_max会随着时间的流逝而发生变化。因此，在时间周期T₁中，可以证实必须减小注入速度I。

Claims (6)

1.一种在可渗透地层(1)中控制注入裂缝扩展方向的方法，石油和/或天然气从可渗透地层(1)中被开采出来，该方法包括：

在地层(1)中，依次形成第一和第二开采钻井(105、110)；

在开采钻井(105、110)处，形成另外一个钻井(115)，该钻井(115)在第一与第二开采钻井(105、110)之间进行延伸；

开始开采石油和/或天然气；

在开采石油或者天然气的同时，将一种液体输送至所述另外一个钻井(115)且流入地层(1)之内持续第一时间周期T₁；

其特征在于：

为了避免当供给液体时在所述另外一个钻井(115)中发生裂纹断裂现象，在时间周期T₁，至少一次估计确定最大容许注入速度I_max；

在所述第一时间周期T₁内，将被供送至另外一个钻井(115)的液体的注入速度I保持低于最大容许注入速度I_max；以及

在时间周期T₁终止之后，当关系式σ′_hole.min＜＝σ′_h已经满足时，沿着另外一个钻井(115)将注入速度I提高至一个高于I_max的值，

其中σ′_h是所述另外一个钻井(115)井壁处的最小水平有效应力分量，而σ′_hole.min是最小周向有效压缩应力。

2.根据前一权利要求中所述的方法，其特征在于：所述钻井(105、110、115)被确定在具有一个基本上水平的延展区域。

3.根据任一前述权利要求中所述的方法，其特征在于：在构造钻井(105、110、115)之前，在这些钻井的预定位置区域对地层的初始有效主应力σ′_H的方向(102)进行估测；并且钻井(105、110、115)被形成为相对于该方向以一个+/-25度内的角度进行延伸。

4.根据前述权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：所述另外一个钻井(115)在第一与第二钻井(105、110)之间大致等距离地进行延伸。

5.根据前述权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：所述另外一个钻井(115)在供给液体之前被设有一个衬套。

6.根据前述权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：在所述液体被输送至另外一个钻井(115)之前，为了增强液体在地层中的散布，通过供给酸液来增产所述另外一个钻井。

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