CN1425846A - 对地下井结构层的酸激励 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对地下井结构层进行酸激励的方法和设备。其中地下井结构层用多个与结构层的壁成间隔关系定位的喷嘴进行酸激励，在喷嘴与结构层之间形成一环形物。在压力下将含酸的激励流体通过喷嘴泵压到该环形物中打在结构层的壁上。将一气体泵压到该环形物中，使激励流体与气体混合，在将混合物喷向结构层而冲击结构层壁之前产生泡沫。
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。
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。
还使用了挤压方法，包括以一高于结构层压力的压力(但没有裂缝方法中流体压力那样高)将含有酸的激励流体引入碳化结构层中，使流体渗入结构层的孔隙中，并与结构层反应而将孔隙放大。但这是个相对较慢的过程且在结构层中产生的孔隙相对较小。同样，由于这些激励流体通常活性非常高，尤其是在上升的温度下，流体经常在靠近结构层中的钻井时提前消耗掉。因而不能实现进一步前进，而流体进入点经常极大地放大。结果不能在整个钻井面上形成多个相对较长且有效的指痕，特别是在要求深层穿透的低渗透性水库中。
酸的化学反应性可通过多种途径降低，其中一种是使用泡沫。由于泡沫还是很好的防泄漏材料，它们有助于产生大的裂缝。常规地，起泡设备设置在地面上，产生泡沫，然后向下泵入孔中。但泡沫的磨擦系数大得多，并降低了静水效果，这两点严重提高了处理井所需压力。
发明内容
因此需要一种激励处理方法，能够结合上述类型的多数或全部特征，从而减少或消除对分离堵塞的需要，泡沫发生可在井下现场进行，穿透深度可提高，可对断裂酸与结构层的反应进行控制，从而防止酸与结构层的提前反应。
一方面，本发明提供一种激励井下结构层的方法，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，在压力下将含酸的激励流体通过喷嘴泵压到该环形物中打在结构层的壁上，将一气体泵压到该环形物中，使激励流体与气体混合，在将混合物喷向结构层而冲击结构层壁之前产生泡沫。
本发明还提供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，用于将气体泵压到该环形物中，使激励流体与气体混合，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，其中该混合物在结构层壁中产生裂缝，以及当裂缝之间的空间注满流体时用于降低混合物的压力及环形物中流体压力的装置。
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设备的剖视图。
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设备的一可替换实施例。
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中实施例的断裂设备。
具体实施方式
参照图1，示出安装在一地下垂直延伸的钻井10中的根据本发明一实施例的激励设备，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。
激励流体包括用于如上所述的挤压或裂缝酸化的常规的酸，以及本领域中公知的各种填加剂。典型的流体包括矿物或有机酸，如盐酸，甲酸，乙酸，或它们的混合物。这种类型流体的一个更具体的但非限定性的例子是包含凝胶剂、防腐剂、铁控化学制品、用于控制硫化裂纹的化学制品的28％盐酸。另外，由于将说明的原因，可将一些沙和发泡剂加入流体中。该混合物下面称作“激励流体”。
喷射接头20和阀接头26的各轴基本上在钻井10中垂直延伸。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，该接头20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(套管)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，同时激励流体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。
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。
在上述操作过程中，主要包含二氧化碳和氮的气体从地面泵压到环形物28中(图1)。气体流过环形物28，激励流体与气体混合并将其向结构层载运，导致高能混合产生泡沫，产生的混合物下面称作“混合物”。
混合物被喷向结构层，并冲击构成钻井10的结构层壁。受限的混合物对结构层中的空腔进行加压，当每个空腔变得足够深时，结构层将在压力足够高时开裂。用于混合物的通路产生在结构层中腔的底部，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。从而产生一直接与裂缝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。该高质量泡沫然后被推入裂缝中，或者返回钻井区域。
如果喷射压力和环形物28中的压力不足以产生裂缝，且如果组合压力高于结构层中的孔隙压力，将发生“挤压”。可替换地，如果在发生上述开裂后需要挤压，则将环形物28中混合物的压力降低到挤压水平压力，该压力高于结构层中孔隙的压力。
在任何一种上述情况中，根据挤压过程，穿过结构层中大孔隙的混合物的量大于穿过小孔隙的量，大孔隙在尺寸上将显著变大，形成混合物流过的通道或“虫孔”。混合物中泡沫的存在延迟了混合物中酸与结构层的反应，因而与不使用泡沫的技术相比，提高了混合物到达结构层中的程度。另外，泡沫是高质量的，提高了处理的可选择性和有效性。当以所述方式将钻井10中的混合物加压打击钻井壁和裂缝表面时，泡沫中的气泡会堵塞小的孔隙而进入大的孔隙，使混合物中的酸部分与结构层材料反应，从而进一步加大了大孔隙。这样就实现了显著挤压而产生通道，也称作在裂缝表面和钻井壁中“指痕”或“虫孔”，混合物与结构层的反应相对较慢，因而混合物可较深地穿透到结构层矩阵中。在挤压结束时，当环形物28压力减小时裂缝关闭，混合物回流到钻井中沿裂缝表面产生了通道或虫孔。
如上所述，如果需要产生相对较大的裂缝，则对接头20周围的环形物28中的压力进行控制，使其大于挤压压力，并略小于液压裂缝压力。冲击或滞留压力将使净压力显著高于所需的裂缝压力；因此可以产生非常大的裂缝(如长度为25英尺到500英尺或更大)。该过程中，泡沫减少了混合物向裂缝表面和/或自然裂缝的损失。混合物的损失减小，大部分混合物体积可用作扩张裂缝从而产生相对较大裂缝的手段。由于裂缝压力高于上述的挤压压力，混合物在裂缝面中的指痕可如上所述在上述挤压操作中同时发生。
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和挤压。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)。上述的裂缝酸化和挤压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。可替换地，该过程可以以连续方式通过相对较慢地和持续地将工作管柱56、因而接头20移向地面而完成，使接头被拖动通过钻井中的高山和峡谷。当喷射接头20位于“高山”的顶部时，即当喷射接头几乎接触钻井内表面时，产生裂缝；当位于峡谷中时，不会产生裂缝。同样，也将如上所述发生挤压。
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，将混有沙子的液体引入喷射接头20中，并从接头20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。然后起动结合图1-3中的实施例描述的操作，设有一套管62，该套管62从地面延伸到形成于结构层中的钻井10中，在钻井的整个长度上延伸，其中工作管柱16以及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和挤压。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由。套管62在钻井中工作管柱56和接头20、22所在的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冲击。除此之外，图6中实施例的操作与图1-3中相同。
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，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中流动的气体预先混合一些液体。另外，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)
1.一种激励井下结构层的方法，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，在压力下将含酸的激励流体通过喷嘴泵压到该环形物中打在结构层的壁上，将一气体泵压到该环形物中，使激励流体与气体混合，在将混合物喷向结构层而冲击结构层壁之前产生泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混合物中的酸与结构层反应而在结构层壁中形成通道。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，混合物中的泡沫延迟混合物中的酸与结构层的反应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，酸反应的延迟使通道扩展。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，压力足以形成裂缝。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，迫使混合物进入裂缝中，以进一步扩展裂缝。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，混合物中的酸与结构层反应而在裂缝面上形成通道。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将压力降低到一位于裂缝压力与结构层中孔隙处压力之间的值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，喷射的混合物流到结构层壁上。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，还包括降低混合物的压力以及环形物中的液体压力，以允许裂缝关闭。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在裂缝关闭后，混合物从裂缝中流出，在裂缝壁中形成通道。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，压力不足以形成裂缝，且迫使混合物进入结构层的孔隙中。
13.根据权利要求1至12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。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，定位喷嘴的步骤包括将喷嘴连接到一工作管柱上，将该工作管柱插入钻井中。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，还包括将一套管插入结构层中，泵压一液体/沙混合物穿过喷嘴，从而在泵压步骤之前穿透套管。
16.一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，用于将气体泵压到该环形物中而使激励流体与气体混合以便在将混合物喷向结构层并冲击结构层壁之前产生泡沫的装置，其中该混合物在结构层壁中产生裂缝，以及还包括当裂缝之间的空间注满流体时用于降低混合物的压力及环形物中流体压力的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，喷嘴设置成沿基本上径向方向将流体导向结构层壁。
18.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，还包括用于进一步降低混合物的压力以及环形物中的液体压力，以允许裂缝关闭的装置。
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