斜井筒的改進(jìn)水力壓裂方法
【專利說明】斜井筒的改進(jìn)水力壓裂方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及不需要任何隔離或分流（diversion)工具，在地下地層中從穿透含烴 地層的斜井筒壓裂多個(gè)級(jí)的方法。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 在從井筒穿透的地下巖層開采烴的過程中，激發(fā)這種開采的普遍使用的技術(shù)是在 所述地層中產(chǎn)生和延伸裂縫。最經(jīng)常地，所述裂縫通過從穿透地下地層的井筒向其施加水 力壓力而產(chǎn)生。也就是說，壓裂流體或壓裂流體的組合以一定的速率和壓力被栗過井筒并 栗入待壓裂的地層，使得施加于所述地層上的水力壓力引起在其中產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)裂縫 和/或延伸所述地層中任何已存在的裂縫（天然或其它）。所述裂縫通過持續(xù)栗送而延伸， 并任選所述裂縫是：i)由沉積在其中的支撐劑例如沙子支撐開，或ii)通過反應(yīng)性流體例 如酸刻蝕斷裂面，借此地層中包含的烴容易流過所述裂縫進(jìn)入井筒。
[0004] 多種壓裂技術(shù)已知用于激發(fā)烴采收。幾種現(xiàn)有技術(shù)的例子在以下專利中提供：
[0005] 例如，美國專利4, 415, 035 ( "' 035專利"）教導(dǎo)了在單次壓裂處理期間，不需要通 過使用機(jī)械式封隔器、限流、封堵球、分流劑或如現(xiàn)有技術(shù)中教導(dǎo)的其他堵塞工具，而在與 穿透地下地層的豎井連通的多個(gè)含烴地層中形成裂縫的方法（第2欄第26-34行）。' 035 專利還教導(dǎo)了全部級(jí)的射孔將在壓裂流體引入豎井筒之前完成。這在本領(lǐng)域中稱為"Hail Mary"壓裂。'035專利只涉及豎井筒，沒有水平或斜井筒的壓裂的任何教導(dǎo)。井的幾何結(jié) 構(gòu)在裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展中發(fā)揮著重要的作用，這是已知的和意見一致的。
[0006] 在 1998 年 11 月 1-4 日，加拿大 Alberta，Calgary，SPE International Conference on Horizontal Well Technology(水平井技術(shù)的 SPE 國際會(huì)議）上，Love、T.G.等的 "Selectively Placing Many Fractures in Openhole Horizontal Wells Improves Production"教導(dǎo)了通過水力噴射技術(shù)壓裂井筒的方法。所述技術(shù)包括利用酸壓裂整個(gè)井 筒。每次壓裂后在井筒中插入砂丸，然后壓裂下一個(gè)位置。雖然該論文宣稱所述壓裂方法 不需要任何塞，但它為了建立和保持工作壓力卻需要砂丸（即分流或隔離工具）。此外，該 參考文獻(xiàn)要求在所述壓裂方法之前穿透井筒中全部目標(biāo)區(qū)域。
[0007] 美國專利4, 850, 431 ( "431專利"）教導(dǎo)了從斜井筒或水平井筒形成多個(gè)隔開的 基本平行裂縫的方法。在這種方法中，在斜井筒中放置套管，通過形成穿過所述套管并進(jìn)入 地層中的一組預(yù)定數(shù)量和尺寸的射孔，而在其中產(chǎn)生多個(gè)隔開的裂縫引發(fā)點(diǎn)。水力壓力在 預(yù)定條件下在所述裂縫引發(fā)點(diǎn)處施加于射孔，同時(shí)從所述斜井筒起在地層中延伸多個(gè)隔開 的基本上平行的裂縫（即同時(shí)多級(jí)壓裂）。
[0008] 在整個(gè)井筒中在所述裂縫引發(fā)點(diǎn)處產(chǎn)生所述射孔組之后，隔離每個(gè)裂縫點(diǎn)處的每 組射孔，并向其施加水力壓力（第2欄第41-46行）。在連接第5和6欄的段落處，431專 利聲明這是最優(yōu)選的技術(shù)。所述431專利中唯一的實(shí)例在第7欄第29-32行處專門陳述了 "在將含有支撐劑的壓裂流體栗入井筒之前，隔離裂縫引發(fā)點(diǎn)處的每組射孔..."。
[0009] 美國專利4, 977, 961 ( "961專利"）教導(dǎo)了在水平井筒或傾斜井筒中產(chǎn)生平行豎 垂直裂縫的方法。所述961專利教導(dǎo)了對于第二個(gè)射孔接著第一個(gè)射孔壓裂水平井的兩種 方式。
[0010] 所述961專利教導(dǎo)了以下步驟：
[0011] a)在第一射孔點(diǎn)處射穿套管；
[0012] b)在第二射孔點(diǎn)處射穿套管；
[0013] c)在第一和第二射孔處同時(shí)施加水力壓力；和
[0014] d)將地層流體開采到地面。
[0015] 另一種方法包括以下步驟：
[0016] a)在具有第一對射孔的第一射孔點(diǎn)處射穿套管；
[0017] b)施加水力壓力以擴(kuò)展裂縫；
[0018] c)隔離所述第一對射孔的流體連通；
[0019] d)在具有第二對射孔的第二射孔點(diǎn)處射穿套管；和
[0020] e)施加水力壓力以在所述第二對處引發(fā)和擴(kuò)展裂縫。
[0021] PCT申請WO 2012/054139( "139專利"）教導(dǎo)了在儲(chǔ)層中產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)的方法。 該方法包括通過注入壓裂流體產(chǎn)生裂縫、監(jiān)測應(yīng)力和然后通過在井筒中連續(xù)注入壓裂流體 擴(kuò)展所述裂縫。該139專利還要求使用隔離或分流工具例如封隔器、壓裂端口、機(jī)械塞、砂 塞、滑動(dòng)套筒、和本領(lǐng)域已知的其他裝置。
[0022] 激發(fā)從水平井筒開采的成本通常要求井的水力壓裂激發(fā)（stimulation)是經(jīng)濟(jì) 的。這些操作需要的水力壓裂設(shè)備和井筒干預(yù)設(shè)備的成本經(jīng)?；谒鲈O(shè)備在井位上的時(shí) 間量，而與所述設(shè)備是否在使用中無關(guān)。如果可以減少在井位上的這種"備用（stand-by)" 時(shí)間量，可以減少所述水力壓裂激發(fā)的成本，并且在很多情況下是顯著的。典型的水力壓裂 級(jí)可能花3到8小時(shí)或更長來完成。在這個(gè)時(shí)間期間進(jìn)行的操作經(jīng)常是井筒準(zhǔn)備，例如在所 述壓裂設(shè)備停止和不開采時(shí)設(shè)置塞和對管射孔。設(shè)備供應(yīng)者收取了該停工時(shí)間的備用費(fèi)， 或者他們可以每天收取設(shè)備的日價(jià)或統(tǒng)一價(jià)，不管所述設(shè)備是否在運(yùn)行中。如果從開采路 徑中消除和/或去除設(shè)置塞和井筒射孔需要的時(shí)間量，亦即，在栗送水力壓裂級(jí)同時(shí)進(jìn)行 這些操作的，操作者將很快完成所述壓裂項(xiàng)目并且一種益處將是減少與所述方法有關(guān)的總 成本。
[0023] 有一種上面提到的方法在行業(yè)中稱為及時(shí)射孔（Just In Time Perforating， JITP)。據(jù)我們的理解，所述方法需要機(jī)械隔離法以將壓裂流體從一個(gè)射孔井段轉(zhuǎn)到下一 個(gè)。這些射孔用成型射孔彈或高速流體產(chǎn)生，例如水力噴射或磨料噴射方法。據(jù)我們理解， 初始井段通過行業(yè)中了解的工具射孔。在通過套管中的這些孔（射孔）從所述套管到地下 巖層中建立流體路徑之后，通過以足夠的壓力將流體或氣體栗入套管中開始水力壓裂，以 獲得進(jìn)入目的地帶以激發(fā)流體或氣體、即包含在其中的烴的開采。下一個(gè)步驟是現(xiàn)有JITP 方法的第一部分。將射孔裝置（例如："選射（Select Fire)"電纜射孔（"射孔"）槍）拉 上井筒到下一個(gè)目的區(qū)準(zhǔn)備射孔操作，同時(shí)繼續(xù)前一井段的栗送。
[0024] 在多級(jí)水力壓裂的傳統(tǒng)應(yīng)用中，下一步將是將射孔裝置從井筒中完全拉出，除了 在一些連續(xù)油管操作中，使用以足夠的速率栗下連續(xù)油管的高速磨料流體產(chǎn)生射孔，以在 套管中產(chǎn)生孔。在這種例外中，壓裂流體可以只栗下環(huán)形路徑、栗下油管、或經(jīng)過共同的集 管，亦即，油管和環(huán)形空間二者。所述JITP方法利用環(huán)形路徑法（參見例如"Packerless Multistage Fracture-Stimulation method Using CT Perforation and Annular Path Pumping"，L. East，J. Rosato，M. Farabee， 和 B. [ McDaniel，SPE Annual Technical Conference and Exhibition (SPE 年度技術(shù)大會(huì)和展不），2005 年 10 月 9-12 日，Dallas， Texas)以在電纜留在井筒中時(shí)繼續(xù)所述壓裂過程。所述環(huán)形路徑在這種情況下是電纜和 孔（例如開采套管）內(nèi)徑之間的環(huán)形空間。這種方法包括通過利用機(jī)械隔離/分流法、例 如射孔封堵球（"射孔球"）的環(huán)形路徑法來激發(fā)。射孔封堵球是強(qiáng)度足夠的硬球，在那些 對水力壓裂和/或酸化具有知識(shí)的人所了解的高壓激發(fā)操作期間，其將在從沿井筒進(jìn)入目 的區(qū)的方向的流動(dòng)中密封射孔。
[0025] 當(dāng)足夠的壓裂流體已經(jīng)按照栗送程序栗入目的區(qū)或在確定結(jié)束處理的時(shí)點(diǎn)（優(yōu) 選由監(jiān)督所述處理者通過獨(dú)立的方式確定）時(shí)，準(zhǔn)備通過選射射孔對隨后的目的區(qū)進(jìn)行射 孔。"選射"是油氣提取工業(yè)的技術(shù)人員了解的術(shù)語，是能夠用消耗性射孔彈多重操作的射 孔裝置（"射孔槍"）。在電纜上部署多個(gè)射孔槍，以允許通過電纜射孔行業(yè)的技術(shù)人員已 知的技術(shù)進(jìn)行多重射孔操作。每個(gè)射孔槍或是通過部署在從地面到所述射孔槍的電纜中的 多個(gè)纜芯線按要求被選擇發(fā)射，或是通過固定于所述電纜兩端的網(wǎng)際協(xié)議裝置，一個(gè)是地 面上的發(fā)送器和一個(gè)是所述射孔槍處的接收器，按要求被選擇發(fā)射。還可以實(shí)施在已經(jīng)領(lǐng) 域中的其他沿著井筒套管段形成多個(gè)井段射孔的方法。
[0026] 因?yàn)樯淇讟屧诘谝徊襟E期間沿著井筒被拉到下一個(gè)目的區(qū)，所以所述射孔槍當(dāng)發(fā) 射時(shí)將恰好在流體或氣體進(jìn)入射孔的時(shí)間射穿下一個(gè)目的區(qū)。然而射孔槍直到前一井段已 經(jīng)機(jī)械封堵防止進(jìn)一步注入壓裂流體或氣體為止才發(fā)射。應(yīng)理解，要使用的密封方法是使 用足夠大小的射孔封堵球來封堵現(xiàn)有的射孔，但其要小得足以被經(jīng)過所述電纜和射孔槍工 具的激發(fā)流體帶下套管。一旦這些射孔球密封現(xiàn)有的射孔并開始切斷壓裂流體流到前面的 目的區(qū)，套管中的壓力就由于所謂的射孔摩擦力而上升。對于熟知限流理論的人而言，射孔 摩擦力隨著進(jìn)入射孔的流量增加而增加。通過射孔球密封射孔迫使多余的流體進(jìn)入其余未 密封的射孔。這在地面上作為表面處理壓力增加而看出。在這種情況下，隨著壓力在井筒 中開采套管的工作極限內(nèi)增加到預(yù)定壓力，操作者得到警告這是發(fā)射他們的射孔槍的時(shí)候 了。一旦到達(dá)這個(gè)壓力，射孔槍發(fā)射，在最接近下一個(gè)目的區(qū)的套管中產(chǎn)生新的射孔，并且 如果部署了足夠的射孔球的話，前面區(qū)中的全部射孔現(xiàn)在都被堵住了。所述壓裂流體或氣 體在不需要改變在地面上需要的速率下進(jìn)入新的井段。
[0027] 如上面論述，在壓裂之前，現(xiàn)有技術(shù)需要使用隔離或分流工具將一個(gè)級(jí)與另一個(gè) 隔離。在每個(gè)級(jí)使用隔離或分流工具在財(cái)務(wù)和時(shí)間二者上都是昂貴的。在典型的井筒布局 中與部署、設(shè)置和除去塞有關(guān)的成本可以高到$1百萬/井筒。已知除去塞比設(shè)置塞更昂貴。 通常所述塞必須在開始烴采收之前從井眼中鉆出或以其它方式取出。涉及塞鉆出的時(shí)間也 是昂貴的。此外，在鉆井操作期間利用柴油燃料或其他烴能源用于驅(qū)動(dòng)栗和機(jī)器以除去塞 和相關(guān)廢物可能對環(huán)境具有負(fù)面影響。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)方法有關(guān)的一些成本包括（但不限于）：設(shè)置橋塞的成本；橋塞的成 本；鉆出橋塞的成本；地面設(shè)備的成本；栗送的流體加上消耗品例如鉆頭、馬達(dá)等的成本； 和推遲烴開采的貨幣時(shí)間價(jià)值。
[0029] 因此，需要一種在烴