斜井筒的改進水力壓裂方法
【專利說明】斜井筒的改進水力壓裂方法 發(fā)明領域
[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級的方法。
[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是在 所述地層中產生和延伸裂縫。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生的一個或多個裂縫 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入井筒。
[0004] 多種壓裂技術已知用于激發(fā)烴采收。幾種現(xiàn)有技術的例子在以下專利中提供：
[0005] 例如，美國專利4, 415, 035 ( "' 035專利"）教導了在單次壓裂處理期間，不需要通 過使用機械式封隔器、限流、封堵球、分流劑或如現(xiàn)有技術中教導的其他堵塞工具，而在與 穿透地下地層的豎井連通的多個含烴地層中形成裂縫的方法（第2欄第26-34行）。' 035 專利還教導了全部級的射孔將在壓裂流體引入豎井筒之前完成。這在本領域中稱為"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。井的幾何結 構在裂縫產生和擴展中發(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(水平井技術的 SPE 國際會議）上，Love、T.G.等的 "Selectively Placing Many Fractures in Openhole Horizontal Wells Improves Production"教導了通過水力噴射技術壓裂井筒的方法。所述技術包括利用酸壓裂整個井 筒。每次壓裂后在井筒中插入砂丸，然后壓裂下一個位置。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 參考文獻要求在所述壓裂方法之前穿透井筒中全部目標區(qū)域。
[0007] 美國專利4, 850, 431 ( "431專利"）教導了從斜井筒或水平井筒形成多個隔開的 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入 地層中的一組預定數(shù)量和尺寸的射孔，而在其中產生多個隔開的裂縫引發(fā)點。水力壓力在 預定條件下在所述裂縫引發(fā)點處施加于射孔，同時從所述斜井筒起在地層中延伸多個隔開 的基本上平行的裂縫（即同時多級壓裂）。
[0008] 在整個井筒中在所述裂縫引發(fā)點處產生所述射孔組之后，隔離每個裂縫點處的每 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。所述431專利中唯一的實例在第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)點處的每組射孔..."。
[0009] 美國專利4, 977, 961 ( "961專利"）教導了在水平井筒或傾斜井筒中產生平行豎 垂直裂縫的方法。所述961專利教導了對于第二個射孔接著第一個射孔壓裂水平井的兩種 方式。
[0010] 所述961專利教導了以下步驟：
[0011] a)在第一射孔點處射穿套管；
[0012] b)在第二射孔點處射穿套管；
[0013] c)在第一和第二射孔處同時施加水力壓力；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處射穿套管；
[0017] b)施加水力壓力以擴展裂縫；
[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)和擴展裂縫。
[0021] PCT申請WO 2012/054139( "139專利"）教導了在儲層中產生裂縫網(wǎng)絡的方法。 該方法包括通過注入壓裂流體產生裂縫、監(jiān)測應力和然后通過在井筒中連續(xù)注入壓裂流體 擴展所述裂縫。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、機械塞、砂 塞、滑動套筒、和本領域已知的其他裝置。
[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 的。這些操作需要的水力壓裂設備和井筒干預設備的成本經(jīng)常基于所述設備在井位上的時 間量，而與所述設備是否在使用中無關。如果可以減少在井位上的這種"備用（stand-by)" 時間量，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 級可能花3到8小時或更長來完成。在這個時間期間進行的操作經(jīng)常是井筒準備，例如在所 述壓裂設備停止和不開采時設置塞和對管射孔。設備供應者收取了該停工時間的備用費， 或者他們可以每天收取設備的日價或統(tǒng)一價，不管所述設備是否在運行中。如果從開采路 徑中消除和/或去除設置塞和井筒射孔需要的時間量，亦即，在栗送水力壓裂級同時進行 這些操作的，操作者將很快完成所述壓裂項目并且一種益處將是減少與所述方法有關的總 成本。
[0023] 有一種上面提到的方法在行業(yè)中稱為及時射孔（Just In Time Perforating， JITP)。據(jù)我們的理解，所述方法需要機械隔離法以將壓裂流體從一個射孔井段轉到下一 個。這些射孔用成型射孔彈或高速流體產生，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 上井筒到下一個目的區(qū)準備射孔操作，同時繼續(xù)前一井段的栗送。
[0024] 在多級水力壓裂的傳統(tǒng)應用中，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生射孔，以在 套管中產生孔。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 年度技術大會和展不），2005 年 10 月 9-12 日，Dallas， Texas)以在電纜留在井筒中時繼續(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）內徑之間的環(huán)形空間。這種方法包括通過利用機械隔離/分流法、例 如射孔封堵球（"射孔球"）的環(huán)形路徑法來激發(fā)。射孔封堵球是強度足夠的硬球，在那些 對水力壓裂和/或酸化具有知識的人所了解的高壓激發(fā)操作期間，其將在從沿井筒進入目 的區(qū)的方向的流動中密封射孔。
[0025] 當足夠的壓裂流體已經(jīng)按照栗送程序栗入目的區(qū)或在確定結束處理的時點（優(yōu) 選由監(jiān)督所述處理者通過獨立的方式確定）時，準備通過選射射孔對隨后的目的區(qū)進行射 孔。"選射"是油氣提取工業(yè)的技術人員了解的術語，是能夠用消耗性射孔彈多重操作的射 孔裝置（"射孔槍"）。在電纜上部署多個射孔槍，以允許通過電纜射孔行業(yè)的技術人員已 知的技術進行多重射孔操作。每個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，一個是地 面上的發(fā)送器和一個是所述射孔槍處的接收器，按要求被選擇發(fā)射。還可以實施在已經(jīng)領 域中的其他沿著井筒套管段形成多個井段射孔的方法。
[0026] 因為射孔槍在第一步驟期間沿著井筒被拉到下一個目的區(qū)，所以所述射孔槍當發(fā) 射時將恰好在流體或氣體進入射孔的時間射穿下一個目的區(qū)。然而射孔槍直到前一井段已 經(jīng)機械封堵防止進一步注入壓裂流體或氣體為止才發(fā)射。應理解，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增加到預定壓力，操作者得到警告這是發(fā)射他們的射孔槍的時候 了。一旦到達這個壓力，射孔槍發(fā)射，在最接近下一個目的區(qū)的套管中產生新的射孔，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入新的井段。
[0027] 如上面論述，在壓裂之前，現(xiàn)有技術需要使用隔離或分流工具將一個級與另一個 隔離。在每個級使用隔離或分流工具在財務和時間二者上都是昂貴的。在典型的井筒布局 中與部署、設置和除去塞有關的成本可以高到$1百萬/井筒。已知除去塞比設置塞更昂貴。 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動栗和機器以除去塞 和相關廢物可能對環(huán)境具有負面影響。
[0028] 與現(xiàn)有技術方法有關的一些成本包括（但不限于）：設置橋塞的成本；橋塞的成 本；鉆出橋塞的成本；地面設備的成本；栗送的流體加上消耗品例如鉆頭、馬達等的成本； 和推遲烴開采的貨幣時間價值。
[0029] 因此，需要一種在烴