專利名稱：減少曲折度的壓裂方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裸眼中的射流壓裂，更特別地，涉及利用延伸構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，同時(shí)利用通過(guò)射流工具輸送到裸眼裂縫中和/或輸送到周圍環(huán)形空間中的加壓流體使產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展。
背景技術(shù)：
在裸眼中進(jìn)行壓裂是復(fù)雜的課題并且被許多作者研究和記述。無(wú)論使用爆炸物還是流體射流，與產(chǎn)生的裂縫相關(guān)的問(wèn)題之一它們的擴(kuò)展方式。如果擴(kuò)展模式隨著裂縫從鉆孔產(chǎn)生而變得更加曲折，則會(huì)產(chǎn)生被稱作脫砂的不利情況，這會(huì)在井投產(chǎn)之后急劇減少井 產(chǎn)能。由于在該區(qū)域內(nèi)作用的地球環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)，任何鉆孔中沿任意井朝向的水力壓裂是復(fù)雜的。這種復(fù)雜性還緣于極度應(yīng)力集中，這在井周圍的許多位置處沿著鉆孔發(fā)生。例如，鉆孔周圍存在比其他位置(在這些位置，極端壓縮壓力防止拉伸斷裂的產(chǎn)生)更易產(chǎn)生張拉裂縫的位置。已經(jīng)提出使這種情況減到最低程度的一種方法是使用在地層中產(chǎn)生一系列扇形狹槽的射流，這是考慮了地層中的一系列共面空腔會(huì)減小曲折度。這個(gè)想法在SPE 28761 Surjatmaadja、Abass 和 Brumley 的名稱為 Elimination of Near-wellboreTortuosities by Means of Hydro jetting (1994)—文中進(jìn)行了討論。其它參考文獻(xiàn)例如為 USP7, 017，665 ;5，335，724 ;5，494，103 ;5，484，016 和美國(guó)公開(kāi) 2009/0107680 也討論了在地層中開(kāi)縫。其它方法使射流噴嘴以傾斜角相對(duì)于井眼定位以影響裂縫擴(kuò)展的方式。這種方法的一些實(shí)例是 USP 7，159，660 ;5，111，881 ;6，938，690 ;5，533，571 ;5，499，678 和美國(guó)公開(kāi)2008/0083531和 2009/0283260。其它方法包括一些結(jié)合了射流壓裂的環(huán)形空間泵送形式。該技術(shù)的一些實(shí)例是USP 7，278，486 ;7，681，635 ;7，343，974 ;7，337，844 ;7，237，612 ;7，225，869 ;6，779，607 ；6，725，933 ;6，719，054 和 6，662，874。已經(jīng)提出安裝到伸縮組件上的噴嘴，思路在于如果噴嘴更靠近地層，壓裂性能將得到改進(jìn)。這在提交于2009年11月13日的名稱為利用射流工具強(qiáng)化裸眼(Open HoleStimulation with Jet Tool)的美國(guó)申請(qǐng)12/618，032中進(jìn)行了討論,該申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓給Baker Hughes Inc。在用于壓裂的伸縮構(gòu)件的另一變形中，思路在于使伸縮構(gòu)件伸出到井壁并且在環(huán)形空間中設(shè)置隔開(kāi)的封隔器，從而避免對(duì)水泥的需要并且允許在使用伸縮構(gòu)件中的一部分初始?jí)毫训貙又髲纳炜s構(gòu)件進(jìn)行開(kāi)采。這在提交于2009年5月11日的名稱為利用伸縮構(gòu)件進(jìn)行壓裂和密封環(huán)形空間(Fracturing with Telescoping Members andSealing the Annular Space)的美國(guó)申請(qǐng)序號(hào)12/463944中進(jìn)行了討論,該申請(qǐng)也被共同轉(zhuǎn)讓。
本發(fā)明使用伸縮構(gòu)件并且以足夠的作用力將它們抵靠著井壁向外驅(qū)動(dòng)以機(jī)械地形成裂縫。伸縮構(gòu)件可以通過(guò)流經(jīng)它們的流體或者從井底鉆具組合內(nèi)使用機(jī)械力例如楔塊裝置或者套管整形器(其同樣提供了使內(nèi)部容納伸縮構(gòu)件的管狀殼體的直徑擴(kuò)大的選擇)來(lái)強(qiáng)制它們移動(dòng)而被向外驅(qū)動(dòng)。伸縮構(gòu)件內(nèi)可以具有縮頸(constriction)以起到噴嘴或者僅起到通路作用，其在具有足夠壓差的足量流體通過(guò)射流噴嘴輸送時(shí)起到流體噴嘴的作用。在另一實(shí)施例中，噴嘴圍繞殼體定位成使至少一個(gè)噴嘴從希望周向應(yīng)力為最小壓縮應(yīng)力集中(其與最大拉伸應(yīng)力集中相同)的位置沿兩個(gè)相反方向中之任一均位于22. 5度以內(nèi)，使得所形成的裂縫具有較小曲折度并提高隨后的開(kāi)采。根據(jù)伸縮構(gòu)件的尺寸和井徑，噴嘴可以布置成單排或多排。通過(guò)使至少一個(gè)噴嘴靠近鉆孔內(nèi)地層的大應(yīng)力位置，所形成和擴(kuò)展的裂縫的曲折程度變小。在本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)確定的情況下，通過(guò)閱讀具體實(shí)施方式
和相關(guān)附圖，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)變得更易理解
發(fā)明內(nèi)容
一系列射流噴嘴具有設(shè)計(jì)成沖擊井壁并形成裂縫的伸縮結(jié)構(gòu)。噴嘴可以通過(guò)經(jīng)其泵送的流體或者利用來(lái)自于井底鉆具組合內(nèi)部的某些機(jī)械力而伸出。伸縮組件的前端可以為銳利的并且進(jìn)行硬化，以方便裸眼中地層裂縫的形成。伸縮結(jié)構(gòu)可以布置成單排或多排，且周向間隔成使得每個(gè)伸縮結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成覆蓋45度或以下的目標(biāo)周向距離，從而使得來(lái)自于至少一個(gè)噴嘴的射流將位于最大地層應(yīng)力位置的22. 5度的范圍內(nèi)，從而減小通過(guò)噴嘴射流所產(chǎn)生裂縫的曲折度，同時(shí)可能因增大的環(huán)空壓力而改善壓裂。


圖I顯示了可伸出的射流噴嘴的陣列，它們抵靠裸眼井被向外驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生裂縫，并且顯示了以減小曲折度的方式使噴嘴間隔的可替換實(shí)施例；和圖2是伸縮噴嘴如何撞擊井壁以產(chǎn)生裂縫的細(xì)節(jié)，所述裂縫隨后利用通過(guò)噴嘴的和/或輸送到環(huán)形空間中的流體進(jìn)行擴(kuò)展。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，作為多個(gè)射流噴嘴中之一的射流噴嘴10由若干個(gè)嵌套在一起的伸縮部件，諸如12和14組成。根據(jù)接合井壁16所需的伸出程度，可以具有兩個(gè)以上的嵌套部件。優(yōu)選的應(yīng)用是在裸眼中。伸出最遠(yuǎn)并強(qiáng)力地撞擊井壁16的最內(nèi)嵌套部件被設(shè)計(jì)成通過(guò)沖擊產(chǎn)生裂縫。該部件在前端可以具有一個(gè)或多個(gè)尖銳部位17以破壞和刺入地層。前端還可以進(jìn)行硬化以防止位于前端的尖銳部位在被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入地層18時(shí)斷裂。伸縮元件12和14限定用作噴嘴的通道，或者可替換地，可以具有開(kāi)口或其它收斂部，以便不但產(chǎn)生壓裂地層的噴射力，而且還能夠使構(gòu)件12和14朝向井壁16起始加速以開(kāi)始?jí)毫巡僮?。伸縮構(gòu)件12和14能夠用棘齒連接在一起，從而允許它們徑向伸出撞擊井壁16并且使它們保持伸出并防止縮回到殼體20中。射流噴嘴組件上的壓降導(dǎo)致諸如12和14的伸縮部件以大作用力移動(dòng)抵靠井壁16以形成裂縫。可替換地，噴嘴10可以最初被阻塞，使得在它們后面?zhèn)鬟f的壓力向外驅(qū)動(dòng)伸縮構(gòu)件12和14并且插塞件隨后能夠被吹掉、溶解或通過(guò)任意其它手段去除。應(yīng)當(dāng)注意，伸縮構(gòu)件伸出的目的在于撞擊井壁16，不需要對(duì)井壁進(jìn)行密封。正是井壁沖擊利用尖銳前端17來(lái)形成裂縫。可替換地，前端可以硬化且為鈍頭，使用井壁沖擊來(lái)在井壁16處形成裂縫。隨后開(kāi)始流體流動(dòng)并且流體進(jìn)入由尖銳部位17形成的裂縫，使得裂縫進(jìn)一步張開(kāi)并遠(yuǎn)離鉆孔而擴(kuò)展。在裂縫通過(guò)伸縮部件12和14擴(kuò)大時(shí)利用一些流體流繼續(xù)施加壓力具有下列效果使裂縫進(jìn)一步遠(yuǎn)離鉆孔延伸，并且當(dāng)輸送用來(lái)使裂縫保持敞開(kāi)的可選的支撐劑時(shí)保持裂縫敞開(kāi)，即使在通過(guò)噴嘴的壓力變小時(shí)也是如此。作為另一選擇，伸縮構(gòu)件中可以具有篩網(wǎng)并且能夠隨后用于開(kāi)采地層18。裂縫22在利用伸縮部件12和14形成之后可以通過(guò)從地面經(jīng)由殼體20或圍繞其外部的環(huán)形空間24輸送的壓力進(jìn)行延伸。在另一實(shí)施例中，噴嘴10在主體20上的位置通過(guò)減小曲折度而提高了所形成裂縫的質(zhì)量。噴嘴可以具有如圖I所示伸縮式設(shè)計(jì)或者它們可以為固定的。噴嘴在主體20上的布置方式通過(guò)定位噴嘴10使得存在從最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域起算周向不超過(guò)22. 5度的噴嘴而提高了裂縫質(zhì)量。例如，根據(jù)在特定區(qū)域起作用的應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)于幾乎水平的裸眼鉆井，可以發(fā)現(xiàn)最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域大致位于接近12點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘的位置。對(duì)于其它應(yīng)·力場(chǎng)或其它井軌跡而言，可以發(fā)現(xiàn)這些最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域位于沿著鉆井的其它位置定位,例如9點(diǎn)鐘和3點(diǎn)鐘,或者相對(duì)于鉆井的頂一底側(cè)傾斜的方向。通過(guò)使用周向隔開(kāi)不超過(guò)45度(不管是在一個(gè)平面內(nèi)還是如圖I所示的若干排)的噴嘴，結(jié)果是沒(méi)有哪一個(gè)噴嘴從其中心算起與最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域?qū)?zhǔn)的角度超過(guò)22. 5度。在殼體20和周圍井壁16的尺寸允許的情況下，可以獲得使用更緊密間隔的致密填料。對(duì)分配起作用的因素是每個(gè)噴嘴的直徑和殼體20的壓力等級(jí)——其受到其內(nèi)的用于放置噴嘴的開(kāi)口數(shù)量的影響。如果使用如圖I所示的多個(gè)排，相鄰排中的交錯(cuò)噴嘴允許噴嘴更緊密地靠在一起。當(dāng)噴嘴更緊密定位以與地層中的最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域?qū)?zhǔn)時(shí)，尤其是從井壁算起超過(guò)井眼直徑距離處所形成的水力裂縫傾向于變寬變深并且曲折度更小。使噴嘴更朝向地層中的最大壓縮應(yīng)力集中區(qū)域的其它不佳定位將促使曲折度變大，因?yàn)榱芽p將在向地層中擴(kuò)展等于井徑的長(zhǎng)度時(shí)偏離并且沿與產(chǎn)生的裂縫的方向垂直的方向擴(kuò)展。隨后，裂縫更易變得曲折并且沿著水平鉆孔或者橫向于鉆孔在與鉆孔軸線平行的平面內(nèi)延伸。通過(guò)對(duì)在具有已知應(yīng)力場(chǎng)的地層中鉆孔如何影響其周圍的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬和數(shù)學(xué)建?？梢宰R(shí)別低應(yīng)力區(qū)域。利用該信息，使至少一個(gè)噴嘴與低應(yīng)力區(qū)域的真正中心(true alignment)不超過(guò)22. 5度的噴嘴間隔獲得了具有最小曲折度的最佳裂縫。如上所述通過(guò)穿透地層形成裂縫的伸縮式噴嘴的特征還可以與噴嘴的間隔協(xié)同作用，以獲得同樣如上所述的較小曲折度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明在射流壓裂環(huán)境下以機(jī)械方式形成裂縫，使得所形成的裂縫通過(guò)經(jīng)由噴嘴和/或環(huán)繞噴嘴殼體的環(huán)形空間輸送的流體壓力進(jìn)一步擴(kuò)展。除了形成裂縫的獨(dú)特方法之外，本發(fā)明的噴嘴位置和地層中最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域(其位于進(jìn)入地層至少井眼直徑的距離處)相關(guān)。通過(guò)布置至少一個(gè)噴嘴與最小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域相距不超過(guò)22. 5度，最終曲折度大大減小。將單排或多排噴嘴10以相鄰噴嘴之間的周向距離為大約45度的嵌套方式隔開(kāi)可以實(shí)現(xiàn)該效果。從更廣泛地意義上講，本發(fā)明認(rèn)識(shí)至IJ，根據(jù)預(yù)定應(yīng)力環(huán)境下鉆孔的偏差，噴嘴朝向與較小壓縮應(yīng)力集中區(qū)域的之間的用于減小裂縫曲折度的關(guān)系。上文對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，本發(fā)明的范圍由下列權(quán)利要求書(shū)的字面和等同范圍確定，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行 許多改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在地下位置壓裂地層的方法，包括 將至少一個(gè)伸縮式噴嘴定位在殼體上； 將殼體輸送到地下位置； 將伸縮式噴嘴伸出以撞擊地層； 利用所述撞擊產(chǎn)生裂縫； 利用輸送給所述裂縫的壓力來(lái)擴(kuò)展所述裂縫。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，包括 提供可相對(duì)移動(dòng)的部件作為所述伸縮式噴嘴，所述部件具有貫穿開(kāi)口。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 在可相對(duì)移動(dòng)的部件上設(shè)置與地層接合的至少一個(gè)銳利前部邊緣。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 在可相對(duì)移動(dòng)的部件上設(shè)置與地層接合、且與所述可相對(duì)移動(dòng)的部件的其它部分相比硬化的前部邊緣。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 使所述可相對(duì)移動(dòng)的部件保持伸出狀態(tài)，防止其徑向縮回與地層脫離接觸。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 在所述開(kāi)口中設(shè)置節(jié)流部以用作所述噴嘴。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 利用所述開(kāi)口中的流體或壓力使所述可相對(duì)移動(dòng)的部件伸出。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 提供多個(gè)噴嘴作為所述至少一個(gè)伸縮式噴嘴； 使一或多排中的相鄰噴嘴周向間隔，使得所述間隔在與所述殼體的軸線垂直的平面內(nèi)不超過(guò)45度。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 提供多個(gè)噴嘴作為所述至少一個(gè)伸縮式噴嘴； 將所述噴嘴呈陣列布置，所述陣列使至少一個(gè)噴嘴在位于地下位置的地層中的低應(yīng)力位置的周向22. 5度以內(nèi)。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，包括 提供多個(gè)噴嘴作為所述至少一個(gè)伸縮式噴嘴； 將所述噴嘴呈陣列布置，所述陣列通過(guò)使至少一個(gè)噴嘴朝向位于地下位置的地層中的低應(yīng)力位置而減小所產(chǎn)生裂縫的曲折度。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，包括 將所述噴嘴設(shè)置成多排并且使相鄰排中的噴嘴偏移。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，包括 在至少一個(gè)噴嘴中設(shè)置篩網(wǎng)； 在利用具有所述篩網(wǎng)的所述噴嘴形成裂縫之后，通過(guò)具有所述篩網(wǎng)的所述噴嘴對(duì)地層進(jìn)行開(kāi)米。
13.一種在地下位置壓裂地層的方法，包括 將多個(gè)噴嘴定位在殼體上；將殼體輸送到地下位置； 將所述噴嘴呈陣列布置，所述陣列通過(guò)使至少一個(gè)噴嘴朝向位于地下位置的地層中的低應(yīng)力位置而減小所產(chǎn)生裂縫的曲折度。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括 將所述噴嘴呈陣列布置，所述陣列使至少一個(gè)噴嘴在位于地下位置的地層中的低應(yīng)力位置的周向22. 5度以內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，包括 使一或多排中的相鄰噴嘴周向間隔，使得所述間隔在與所述殼體的軸線垂直的平面內(nèi)不超過(guò)45度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法,包括 給所述噴嘴提供伸縮特征，使所述伸縮套管伸出以沖擊地層； 利用所述沖擊形成裂縫； 利用傳送給所述裂縫的壓力液壓地使所述裂縫擴(kuò)展。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，包括 提供可相對(duì)移動(dòng)的部件作為所述噴嘴，所述部件具有貫穿開(kāi)口。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，包括 在可相對(duì)移動(dòng)的部件上提供與地層接合的至少一個(gè)銳利前部邊緣。
19.
20.如權(quán)利要求17所述的方法，包括 在可相對(duì)移動(dòng)的部件上設(shè)置與地層接合、且與所述可相對(duì)移動(dòng)的部件的其它部分相比硬化的前部邊緣。
全文摘要
一系列射流噴嘴具有設(shè)計(jì)成沖擊井壁并形成裂縫的伸縮結(jié)構(gòu)。噴嘴可以通過(guò)經(jīng)其泵送的流體或者利用來(lái)自于井底鉆具組合內(nèi)部的某些機(jī)械力而伸出。伸縮組件的前端可以為銳利的并且進(jìn)行硬化，以方便裸眼中地層裂縫的形成。伸縮結(jié)構(gòu)可以布置成單排或多排，且周向間隔成使得每個(gè)伸縮結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成覆蓋45度或以下的目標(biāo)周向距離，從而使得來(lái)自于至少一個(gè)噴嘴的射流將位于最大地層應(yīng)力位置的22.5度的范圍內(nèi)，從而減小通過(guò)噴嘴射流所產(chǎn)生裂縫的曲折度，同時(shí)可能因增大的環(huán)空壓力而改善壓裂。
文檔編號(hào)E21B43/26GK102947538SQ201180029262
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者M·M·奧康奈爾, M·H·約翰遜, D·A·卡斯蒂略 申請(qǐng)人:貝克休斯公司