CN1408986A - 对地下井结构层进行断裂的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对地下井结构层进行断裂的方法和设备。其中井下结构层通过将多个喷嘴与结构层的壁成间隔关系定位,在喷嘴与结构层之间形成一环形物而断裂。在一预定压力下将不含酸的激励流体泵压通过喷嘴进入该环形物中打在结构层的壁上,将一气体引入该环形物中,使激励流体与气体混合,从而在将混合物喷向结构层而在结构层中形成裂缝之前产生泡沫。
Description
发明领域
本发明涉及一种方法和设备,用于处理地下井结构层,从而激励碳氢化合物的生产,更特别地,涉及对井结构层进行断裂的方法和设备。
背景技术
已经开发了多种技术用于处理地井下结构层,从而激励碳氢化合物的生产。例如,经常使用液压裂缝酸化方法,根据该方法,用常规堵塞等将一部分将被激励的结构层分离,将含有凝胶、酸、沙浆等的激励流体泵压穿过钻井进入结构层的分离部分中。加压的激励流体以一非常高的力推压在结构层上,从而在结构层上建立和扩展裂缝。但用堵塞分离结构层的要求很费时且相当大地增加了系统成本。
液压断裂中经常遇到的一个问题是流体损失,为本申请的目的,将其定义为激励流体进入多孔结构中或进入结构层中存在的天然裂缝中的损失。
流体损失可用多种方法降低,如使用泡沫。由于泡沫对于防止泄漏效果良好,它们还有助于产生大的裂缝。常规地,在地面设置发泡设备,产生泡沫,然后泵入井下。但泡沫具有大得多的摩擦系数,并降低了静水效果,这两点都严重地提高了用于处理钻井的压力。
发明内容
因此需要一种激励处理,根据该激励处理,消除了对于分离堵塞的需要,泡沫发生是在井下现场完成的,并提高了裂缝长度。
一方面,本发明提供一种断裂井下结构层的方法,该方法包括将多个喷嘴与结构层的壁成间隔关系定位,在喷嘴与结构层之间形成一环形物;在一预定压力下将不含酸的激励流体泵送通过喷嘴进入该环形物中并打在结构层的壁上;将一气体泵压到该环形物中,使该激励流体与该气体混合,在将混合物喷向结构层而在结构层中形成裂缝之前产生泡沫。
另一方面,本发明还提供一种用于激励井下结构层的设备,该设备包括多个与结构层的壁成间隔关系定位从而在喷嘴与结构层之间形成一环形物的喷嘴;用于以一预定压力将含酸的激励流体通过喷嘴引入到该环形物中打在结构层壁上的装置;用于将一气体泵压到该环形物中,使该激励流体与该气体混合,在将混合物喷向结构层而冲击结构层壁之前产生泡沫的装置。
根据本发明,断裂、分离和产生泡沫的技术将组合起来用于对结构层进行更加有效的激励。为实现此目的,激励流体将以一个相对较高的冲击压力和速度下通过一个工作管柱排出并进入一个钻井中,而不再需要分离堵塞来断裂结构层。
附图描述
为使本发明得到更全面的理解,对附图进行参照,其中:
图1是位于垂直钻井中的根据本发明一实施例的断裂设备的剖视图。
图2是图1和2中设备两部件的分解立面图。
图3是图2中部件的剖视图。
图4是位于具有水平偏移的一钻井中的根据本发明一实施例的断裂系统的剖视图。
图5是与图1相似的视图,但示出位于一垂直钻井中的根据本发明断裂系统的一可替换实施例。
图6与图5非常类似,但示出位于具有水平偏移的一钻井中的图5中实施例的断裂系统。
具体实施方式
参照图1,示出安装在一地下基本垂直延伸的钻井10中的根据本发明一实施例的激励系统,钻井10穿透产生碳氢化合物的地下结构层12。一套管14从地面(未图示)延伸到钻井10中并终止于该结构层上方。该激励设备包括一工作管柱16,该工作管柱16为管道或盘绕管形式,并从地面延伸穿过套管14。如从图1中看到的,工作管柱16延伸超过套管14的一端或在其下面,工作管柱16的一端以将要描述的方式与管状喷射接头20的一端联接。该喷射接头20具有穿过其壁加工的多个通孔22,形成下面将详细描述的排放射流。
一阀接头26以同样将描述的方式与喷射接头20的另一端联接。如下面将详细描述的,工作管柱16位于地面的端部用于接收激励流体,阀接头26通常关闭,使激励流体流从喷射接头20排出。阀接头26是可选择的,一般要求例如在挡住、设备失效等过程中允许紧急反向循环过程。在钻井10的内表面与工作管柱16和接头20和26的外表面之间形成一环形物28。
激励流体是一非酸性流体,对于本申请,是一pH值高于5的流体。该流体包括增粘剂,如水基或油基凝胶,加上必要的发泡剂,以及各种填加剂,如本领域中公知的表面活性剂,泡沫稳定剂,以及凝胶破碎器。典型的流体包括线性或横向联接凝胶,油基或水基;胶凝剂可以是多糖,如瓜尔豆胶,HPG,CMPHG,CMG;或者纤维素衍生物,如羧甲基羟基乙基纤维素(CMHEC)和羟乙基纤维素(HEC)。横向联接剂可以硼酸盐,Ti,Zr,Al,锑离子源或混合物。流体的一个更具体但非限定性的例子是每千加仑HEC40磅的流体类型,包含表面活性剂和破碎器。该混合物下面称作“激励流体”。如将要描述的,当需要时,该激励流体可与气体和/或沙子或支撑剂混合。
喷射接头20和阀接头26的各轴基本上在钻井10中基本上垂直延伸。当泵压激励流体穿过工作管柱16时,其进入喷射接头20内部,并通过孔22排放到钻井10中,打在结构层12上。
图2和3中示出喷射接头20和球阀接头26的细节。该喷射接头20由一管状壳体30形成,该管状壳体30包括一延伸穿过壳体长度的纵向流道32。孔22在一个平面中延伸穿过套管的壁,并可垂直于图2中所示套管的轴线延伸,和/或如图3所示与套管轴线成一锐角延伸,和/或与该轴线(未图示)对准。这样,来自工作管柱16的激励流体进入壳体30,穿过通道32,从孔22排出。激励流体排放模式是绕壳体30延伸的盘的形式。
由于高压,来自壳体30内部的激励流体被压出相对较小的孔22,实现一喷射效果。这是由于激励流体以一如3000-6000磅/平方英寸这样相对较高的压差排放激励流体而导致的,这将激励流体加速到一相对较高的速度,如650英尺/秒。喷射入钻井10中的该高速激励流体使环绕激励流体流的压力急剧下降(基于著名的伯努利原理),这消除了对于上述隔离堵塞的需要。
在壳体30两端形成两个管状管接头34和36,并最好与壳体整体成形。管接头34和36直径小于壳体30并且是外螺纹,工作管柱16(图1)的对应端部是内螺纹,从而借助于管接头34将工作管柱紧固到壳体30上。
阀接头26由一管状壳体40制成,该壳体40包括一从壳体一端伸出的第一纵向流道42和一从流道42向壳体另一端延伸的第二纵向流道44。流道42的直径大于流道44,从而在流道之间形成一台肩,一球46在流道42中延伸并通常座靠在该台肩上。
一外螺纹管接头48从壳体40一端伸出,用于联接激励过程中使用的其它部件(未图示),如传感器,记录器,定中心器等。壳体40另一端为内螺纹,用于接收喷射接头20的外螺纹管接头36,从而将阀接头26的壳体40联接到喷射接头的壳体30上。
可以理解,其它常规部件,如对中装置,BOPS,脱模机,管路阀,固定器等,可以连接到图1中的系统上。由于这些部件是常规的,不构成本发明的任何部分,为清楚起见,图1中作了省略。
操作中,球46落入工作管柱16中,激励流体与一些相对较细或相对较粗的支撑剂混合,并连续从地面通过工作管柱16和喷射接头20泵压到阀接头26。阀接头26中,球46穿过流道42,座靠在流道42与44之间的台肩上。这样在接头20和26中建立起流体压力,使激励流体通过孔22排出。
在上述过程中,一主要包含二氧化碳或氮气的气体从地面泵入环形物28中(图1)。气体流过环形物28,与来自环形物的支撑剂激励流体混合并由其向结构层载运,形成高能混合而产生泡沫。激励流体、支撑剂和气体的混合物下面称作“混合物”,冲击结构层的壁。
然后激励流体的泵压速度上升到一水平,因而喷射穿过孔22的激励流体的压力达到一相对较高的压差,并达到如上所述的高排放速度。这在钻井壁中产生了空腔或穿孔,有助于腐蚀结构层壁。
当每个空腔变得足够深时,限定的混合物将对空腔进行加压。用于混合物的通路产生在结构层中上述空腔的底部,用作进入结构层的输出口,而环形物28用作到达系统的输入口。从而产生一直接与结构层联接的实际上的喷射泵。另外,每个空腔变成了一个小混合室,极大地提高了泡沫的均匀性和质量。经过一小段时间后,空腔变得非常大,然后结构层裂缝和混合物或者被推入裂缝中,或者返回钻井区域。
此时,混合物可由一衬垫混合物代替,该衬垫混合物包括该激励流体和气体,但没有任何相对较粗的支撑剂,虽然它可以包括少量的相对较细的支撑剂。衬垫混合物的主要用途是打开裂缝,进行下面描述的进一步处理。如果需要产生相对较大的裂缝,则对环形物28中环绕接头20的衬垫混合物的压力进行控制,使其小于或等于结构层的液压断裂压力。冲击或滞流压力将使净压力基本上大于所需的断裂压力;因此可产生一非常大的裂缝(如长度为25英尺到500英尺可更大)。该过程中,衬垫混合物中的泡沫将减小衬垫混合物进入裂缝表面和/或天然裂缝的损失。这样,大部分衬垫混合物体积可用作扩展裂缝从而产生相对较大裂缝的手段。
然后用包括以上述方式形成泡沫的激励流体和气体的混合物,以及浓度相对较高的粗支撑剂来代替衬垫混合物。将后面的混合物引入裂缝中,用于该步骤的混合物的量取决于所需的裂缝长度和输送到裂缝中的所需支撑剂浓度。
当上述过程完成后,起动一冲洗步骤,根据该步骤,将有泡沫的激励流体和气体,但没有任何支撑剂,泵入工作管柱16中,直到将由于前面步骤而存在于工作管柱中的支撑剂从工作管柱中推出。该前后过程中,在全部支撑剂从工作管柱中排出之前,可能需要用支撑剂“压紧”裂缝,以提高支撑剂在裂缝中的浓度分布,并在结构层与钻井之间获得更好的联接性。为此,将环形物28中混合物的压力降低到一高于结构层孔隙中的压力而低于断裂压力的水平,同时将装有支撑剂的流体持续压迫进入裂缝中并缓慢地扩张到裂缝面中。支撑剂这样压紧到裂缝中,并将裂缝末端的窄间隙桥接起来,使裂缝停止成长,这经常称作“末端挡住”。混合物中泡沫的存在减少了与结构层的混合物中液体的损失,因而可大大提高裂缝的扩展。
在上述操作之后,如果需要从钻井10,工作管柱16及接头20和26中清除异物,如碎石,管道涂料等,则将工作管柱16中激励流体的压力降低,将清洗流体,如水,以一相对较高的压力引入环形物28中。在到达钻井10中低于接头20和26的一个深度后,该高压清洗流体与上述激励流体方向相反地流动并进入阀接头26的流道44的排放端。清洗流体的压力迫使球阀46脱离与接头26的流道42和44之间的台肩的配合。球阀46和清洗流体通过通道42、喷射接头20以及工作管柱46到达地面。清洗流体的这种循环将工作管柱16、接头20和26以及钻井10中的异物清洗出来。
当上述清洗操作完成后,如果需要激励流体开始以上述方式排放在结构层壁上,则球阀46以上述方式从地面下降到工作管柱16中,如上所述将激励流体引入工作管柱16中。
图4示出一激励系统,该系统包括图1-3中系统的一些部件,并给出相同的参考数字。图4中的系统安装在一地下钻井50中,该地下钻井50具有一从地面开始延伸的基本垂直部分50a,和一从部分50a延伸到一产生碳氢化合物的地下结构层52中的偏斜的基本水平部分50b。如前述实施例中那样,套管14从地面延伸到钻井50a中。
图4中的激励系统包括一工作管柱56,该工作管柱56为管道或盘绕管的形式,从地面穿过壳体14和钻井部分50a延伸进入钻井部分50b中。如前述实施例中那样,从地面(未图示)将激励流体引入工作管柱56的一端。管状喷射接头20的一端以上面所述的方式与工作管柱56的另一端联接,用于以上面所述的方式将激励流体接收和排放到钻井部分50b以及结构层52中。阀接头26与喷射接头20的另一端联接,并以如上所述的方式控制激励流体流过喷射接头。喷射接头20和阀接头26的各轴基本上在钻井部分50b中水平延伸,因而当激励流体被泵压通过工作管柱56时,它进入喷射接头20内部,并沿基本上径向或角度方向穿过钻井部分50b排放在结构层52上,以如上所述的方式对其进行断裂。钻井的水平或偏斜部分是完全的裸眼,本实施例的操作与图1中的相同。可以理解,尽管图4中所示的钻井部分50b基本上水平延伸,上述实施例同样可用于与水平成一角度延伸的钻井。
对于钻井在其中垂直地、水平地或成角度地延伸相对较长距离的结构层,喷射接头20、阀接头26和工作管柱56可以初始地设置在钻井的下端部分(即离地面最远的部分)。上述的断裂过程可以在整个水平钻井部分中重复多次,如每隔100到200英尺进行一次。
图5中的实施例与图1中相似,使用与后一实施例中相同的部件,这些部件给出与图5中实施例相同的参考数字。设有一套管60,该套管60从地面(未图示)延伸到形成于结构层12中的钻井10中。该套管60在钻井中工作管柱16及接头20和26延伸部分的整个长度上延伸。因此套管60以及接头20和26的轴线基本上垂直延伸。
在将激励流体引入喷射接头20中之前,将混有沙子的液体或激励流体引入喷射接头20中,并如上所述,从喷射接头中的孔22以一高速度排向套管60的内壁,在后面的壁上形成小孔或穿孔。所使用的“穿孔”流体数量比结合上述实施例1-3所使用的数量大得多。然后起动结合图1-3中的实施例描述的操作,激励流体与泡沫气体的混合物以一相对较高的速度排放通过孔22,通过套管60中的上述孔,打击结构层12,从而以如上所述的方式对其进行断裂。除此之外,图5中实施例的操作与图1-4中相同。
图6中的实施例与图4中的相似,使用许多与后一实施例中相同的部件,这些部件给出相同的参考数字。在图6的实施例中,设有一套管62,该套管62从地面(未图示)伸入形成于结构层52中的钻井50中。套管62在钻井中工作管柱56和接头20、22所在部分的整个长度上延伸。因此,套管62具有分别在钻井部分50a和50b中延伸的一基本垂直部分62a和一基本水平部分60b。接头20和26位于套管部分62b中,它们的各轴基本上水平延伸。
在将激励液体引入喷射接头20之前,将混有沙子的液体引入球阀46(图3)到位的工作管柱16中。液体/沙混合物从喷射接头20中的孔22(图2)以一非常高的速度排放到套管62的内壁上,穿过后壁形成小孔。然后起动上面结合图1-3中的实施例描述的激励操作,激励流体与泡沫气体的混合物以一相对较高的速度穿过孔22和套管62中的上述孔,排放在结构层52的壁上,以如上所述的方式对其进行断裂。除此之外,图6中实施例的操作与图1-3中相同。
上述每个实施例这样将断裂特征与泡沫发生和使用特征相结合,产生了几个优点,所有优点都增强了结构层的激励以及碳氢化合物的生产。例如,泡沫减少了激励流体的流体损失或泄漏,因而提高了裂缝长度,获得了更好的激励效果。同样,不需要上面所述的精细而昂贵的堵塞来建立高压。此外,当全部上述激励步骤完成后,泡沫有助于从钻井中清除所用的激励流体,否则是很耗时的。另外,流体基本上以液体形式输送,从而降低了摩擦以及操作成本。图5和6中的实施例除了允许在相对较长的套管中更加具体的位置完成激励流体打点之外,享有全部上述优点。
可以理解,可在不脱离本发明范围的前提下在前述实施例中作各种变化。例如,可在上述穿孔步骤之后将气体泵入环形物中,可如上所述将激励流体、沙子和支撑剂排入环形物中,与气体混合。另外,由于许多原因,如降低成本和提高静水压力,可在进入套管14之前将在环形物28中流动的气体与一些液体预先混合。另外,可在本发明的范围内对激励流体的构造进行改变。此外,钻井的特殊定向可以从完全垂直转换到完全水平。另外,排放孔相对于喷射接头轴线延伸的特殊角度可以改变。此外,接头20中的孔22可用单独安装的由稀有材料如硬质合金混合物制成的喷嘴代替,用于提高耐久性。同样,环形物28中可使用多种其它流体,包括清洗激励流体,化学控制粘土稳定性的液体,以及普通低成本流体。
虽然上面详细描述了本发明的一些示例性实施例,但本领域技术人员很容易明白,在不实质上脱离本发明的新颖的教导和优点的前提下,可进行多种其它修改。因此,所有这些修改都包括在由下面限定的本发明的范围内。在如下发明保护范围中,装置加功能的条款用于覆盖此处描述的实现所述功能的结构,不仅包括结构等同物,而且包括等同结构。
Claims (18)
1.一种断裂井下结构层的方法,该方法包括将多个喷嘴与结构层的壁成间隔关系定位,在喷嘴与结构层之间形成一环形物;在一预定压力下将不含酸的激励流体泵送通过喷嘴进入该环形物中并打在结构层的壁上;将一气体泵压到该环形物中,使该激励流体与该气体混合,在将混合物喷向结构层而在结构层中形成裂缝之前产生泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,流体的pH值高于5。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,激励流体是线性或横向联接凝胶。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法,其特征在于,还包括将支撑剂加入混合物中。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法,其特征在于,混合物中的泡沫将减小流体进入裂缝面的损失;从而促进裂缝向结构层中扩展。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,还包括降低环形物中的流体压力,从而终止裂缝扩展。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法,其特征在于,在结构层中形成一钻井,该钻井具有一垂直部件和一水平部件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法,其特征在于,定位喷嘴的步骤包括将这些喷嘴连接到一工作管柱上,并将工作管柱插入钻井中。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,还包括将一套管插入结构层中,将一液体/沙混合物泵压通过这些喷嘴,从而在泵压步骤之前穿透套管。
10.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,将该多个喷嘴定位在一工作管柱中,上述方法还包括终止增加支撑剂的步骤,控制流体和气体混合物的压力,使其小于或等于断裂压力。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,还包括然后将相对较粗的支撑剂加入流体和气体的混合物中,以增大裂缝的尺寸。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,还包括从工作管柱中冲洗支撑剂。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,还包括在冲洗完成之前用支撑剂压紧裂缝,上述压紧步骤最好包括在迫使装有支撑剂的流体进入裂缝的同时降低环形物中混合物的压力。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,将环形物中混合物的压力降低到一高于结构层孔隙中的压力而低于断裂压力的水平。
15.一种用于激励井下结构层的设备,该设备包括多个与结构层的壁成间隔关系定位从而在喷嘴与结构层之间形成一环形物的喷嘴;用于以一预定压力将含酸的激励流体通过喷嘴引入到该环形物中打在结构层壁上的装置;用于将一气体泵压到该环形物中,使该激励流体与该气体混合,在将混合物喷向结构层而冲击结构层壁之前产生泡沫的装置。
16.根据权利要求15所述的设备,其特征在于,喷嘴在一基本径向方向将流体导向结构层壁。
17.根据权利要求15或16所述的设备,其特征在于,该混合物在结构层中产生裂缝,还包括当裂缝之间的空间注满流体时用于降低环形物中混合物的压力和气体压力的装置。
18.根据权利要求17所述的设备,其特征在于,还包括用于进一步降低环形物中的混合物压力和液体压力,以允许裂缝关闭的装置。
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