專利名稱：不牢固和脆弱粘結(jié)的沉積物中的豎直液壓裂縫的多方位控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及通過注入壓裂流體使地下地層斷裂以增強(qiáng)回收地下石油流體，更具體地涉及用于在一個(gè)單獨(dú)井眼內(nèi)在不牢固和脆弱粘結(jié)的沉積物中形成定向在預(yù)定的不同方位的多個(gè)豎直液壓裂縫，以增加地下地層的石油流體的產(chǎn)量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
使石油回收井形成液壓裂縫，由于形成的裂縫的高滲透性和裂縫的尺寸和范圍，提高了從低滲透地層的流體的抽取。井眼的一個(gè)單獨(dú)液壓裂縫導(dǎo)致從地層抽取石油流體的產(chǎn)量的增加。然而，石油流體的產(chǎn)量典型地來自緊靠近裂縫的地層區(qū)域，因此地層中的大量石油流體沒有回收。在一個(gè)單獨(dú)的井眼內(nèi)在不同方向或方位形成許多裂縫，將進(jìn)一步增加井的產(chǎn)量并且導(dǎo)致來自地層的石油儲(chǔ)量的更大回收。
現(xiàn)在回到現(xiàn)有技術(shù)，使地表下地層形成裂縫以促使碳?xì)浠衔锪黧w從地表下地層產(chǎn)生已經(jīng)在世界許多地方進(jìn)行了50年以上。通過在被襯套的鉆井內(nèi)穿孔或在開放井眼的隔離部分內(nèi)穿孔，使地層液壓開裂。液壓裂縫的水平和垂直方位由土壤和地層纖維中的壓應(yīng)力狀況來控制。在巖石力學(xué)的技術(shù)中已知的是，裂縫將出現(xiàn)在垂直于最小應(yīng)力方向的平面內(nèi)，見美國專利No.4 271 696(授權(quán)給Wood)。在非常深的地方，水平應(yīng)力中的一個(gè)一般處于最小值，導(dǎo)致通過液壓開裂過程形成豎直裂縫。在現(xiàn)有技術(shù)中還已知的是，豎直裂縫的方位受到凝固沉積物和脆巖中最小水平應(yīng)力的方位控制。
在淺的深度處，水平應(yīng)力可能小于或大于豎直覆蓋層應(yīng)力(overburden stress)。如果水平應(yīng)力小于豎直覆蓋層應(yīng)力，那么將起裂豎直裂縫；而如果水平應(yīng)力大于豎直覆蓋層應(yīng)力，那么將由液壓開裂過程形成水平裂縫。
從井眼中引起優(yōu)選的水平定向裂縫的技術(shù)是熟知的。這些技術(shù)包括利用帶壓氣體或液體射流，在敞開井眼中形成一個(gè)水平槽口。這樣的技術(shù)通常用在石油和環(huán)境工業(yè)。開槽技術(shù)令人滿意地用于產(chǎn)生一個(gè)水平裂縫，只要水平應(yīng)力大于豎直覆蓋層應(yīng)力，或土層有足夠的水平分層或纖維(layering or fabric)來確保裂縫連續(xù)在水平面上擴(kuò)展。在水平面上，穿孔以從襯套井眼引起水平裂縫的技術(shù)已經(jīng)公開，但是這樣的穿孔技術(shù)在低水平應(yīng)力的地層中不如人們所希望的那樣誘發(fā)水平裂縫。見美國專利No.5 002 431(授權(quán)給Heymans)。
用于在襯套井眼內(nèi)形成豎向槽的各種措施已經(jīng)公開，現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)識(shí)到鏈鋸能夠用于對(duì)套管開槽。見美國專利No.1 789 993(授權(quán)給Switzer)，美國專利No.2 178 554(授權(quán)給Bowie等人)，美國專利No.3 225 828，(授權(quán)給Wisenbaker)，和美國專利No.4 119 151(授權(quán)給Smith)。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開，安裝預(yù)開槽的或弱化的套管作為給套管穿孔的一種選擇，因?yàn)檫@樣的穿孔因環(huán)繞穿孔的地層的孔隙塌陷，能夠?qū)е碌貙优c井眼的減小的液壓連接。見美國專利No.5103911(授權(quán)給Heijnen)。在現(xiàn)有技術(shù)的這些方法沒有涉及用于在一個(gè)預(yù)定方位定向處優(yōu)選起裂豎直液壓裂縫的兩個(gè)相對(duì)槽的方位定向。已被本領(lǐng)域公認(rèn)的是，裂縫方位定向不能由這些措施來控制。這些方法是套管穿孔以實(shí)現(xiàn)在井眼和周圍地層之間的更好連接的一種選擇。
從深處的地下井使地下土層液壓破裂的技術(shù)中，已知的是，在注入到地層的流體區(qū)域，土層的壓應(yīng)力將典型地導(dǎo)致形成一個(gè)豎直的兩“翼”結(jié)構(gòu)。這種帶“翼”結(jié)構(gòu)一般在相反方向和在一般垂直于最小的就地水平壓應(yīng)力的平面中從井眼側(cè)向延伸。這種類型的裂縫在石油工業(yè)中是熟知的，因?yàn)楫?dāng)一種帶壓的壓裂流體，通常為水和膠凝劑以及一定的支撐劑材料的混合物，從襯套的或未襯套的井眼注入到地層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這種類型的裂縫。這樣的裂縫在徑向上以及在豎直方向上延伸，直到裂縫遇到這樣的區(qū)域或土壤材料層。所述區(qū)域或土壤材料層處在較高的壓應(yīng)力下或是強(qiáng)到足以能在沒有增加注入壓力的情況下制止進(jìn)一步的裂縫擴(kuò)展。
在現(xiàn)有技術(shù)中也熟知的是，豎直液壓裂縫的方位由垂直于最小水平應(yīng)力方向在豎直液壓裂縫的方位的應(yīng)力狀況來控制。在優(yōu)選方位定向上起裂和擴(kuò)展豎直液壓裂縫的嘗試都沒有成功，并且被廣泛認(rèn)可的是豎直液壓裂縫的方位只能隨土壤應(yīng)力狀況的改變而變化。在受到很大的注入壓力的石油儲(chǔ)層中和在抽取流體導(dǎo)致豎直液壓裂縫的局部方位改變時(shí)，土壤局部應(yīng)力狀況的這種變化已被觀察到。
在預(yù)定的方位上通過井眼開槽或安裝預(yù)開槽的或弱化的套管來控制不牢固或脆弱粘結(jié)的土壤和沉積物的地層中的豎直液壓裂縫的方位的方法已經(jīng)被公開。該方法公開了豎直液壓裂縫能夠在不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物中按預(yù)定的方位擴(kuò)展。參見美國專利No.6 216 783(授權(quán)給Hocking等人)和美國專利No.6 443 227(授權(quán)給Hocking等人)。該方法公開了豎直液壓裂縫能夠在不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物中按預(yù)定的方位擴(kuò)展。在現(xiàn)有技術(shù)中的這些方法不涉及為了提高來自地層的石油流體產(chǎn)量從單獨(dú)井眼中在不同方位上形成多個(gè)定位的豎直液壓裂縫。
因此，需要一種在不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物的地層中在一個(gè)單獨(dú)井眼內(nèi)控制多個(gè)豎直液壓裂縫的不同方位定向的方法和裝置。另外，需要一種將安裝的豎直液壓裂縫液壓連接到井口，而不必對(duì)套管鉆孔的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)置一種方法和裝置，利用各種措施從一個(gè)井眼使土壤膨脹，以起裂和控制在不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物的地層中在一個(gè)單獨(dú)井眼的不同方位形成的多個(gè)豎直液壓裂縫的方位定向。這些裂縫是通過優(yōu)選地使正交于所希望的裂縫方位方向的土壤膨脹而起裂的。土壤的這種膨脹能夠由各種各樣的措施來產(chǎn)生受驅(qū)動(dòng)的鏟，使正交于所要求的方位方向的土壤膨脹；封隔器，使正交于所要求的方位方向的土壤膨脹和優(yōu)選地膨脹；對(duì)預(yù)弱化的套筒的加壓，所述預(yù)弱化的套筒具有與所要求的方位定向?qū)R的弱化線；對(duì)具有對(duì)向槽的套管加壓；所述對(duì)向槽沿所要求的方位方向切割；對(duì)雙“翼”人工豎直裂縫加壓，所述雙“翼”人工豎直裂縫通過在所要求的方位定向切割套管、水泥漿和/或地層或者在套管、水泥漿和/或地層中開槽形成。
一旦第一豎直液壓裂縫形成，第二和繼后的多方位定向的豎直液壓裂縫通過密封第一和較早的裂縫的套管或單獨(dú)的封隔器系統(tǒng)，然后通過優(yōu)選地使正交于下一個(gè)所希望的裂縫方位方向的土壤膨脹來起裂，第二和繼后的裂縫被起裂和控制。起裂多個(gè)方位定向裂縫的次序是這樣的，以致由較早的裂縫誘發(fā)的土壤水平應(yīng)力有利于其次和繼后裂縫的起裂和控制。在預(yù)定方位處起裂和形成第一豎直裂縫，使垂直于起裂的第一裂縫平面的水平應(yīng)力增加。起裂和形成正交于第一裂縫的第二豎直裂縫，以獲得由第一裂縫所產(chǎn)生的增加的水平應(yīng)力引起的有利的水平應(yīng)力狀況的優(yōu)點(diǎn)，以及在完成第二裂縫之后達(dá)到水平應(yīng)力狀況的繼后平衡。在第二裂縫之后，土壤的水平應(yīng)力更加均勻。這樣，在與較早裂縫不同的方位上，有利于起裂和形成第三裂縫。起裂和形成正交于第三裂縫的第四豎直裂縫，因?yàn)槎ㄏ驅(qū)⑹艿接捎诮⒌谌芽p產(chǎn)生的有利的水平應(yīng)力場(chǎng)的作用。受控的第四方位的裂縫的形成將導(dǎo)致在第四裂縫的注入完成之后水平應(yīng)力的平衡。
本發(fā)明涉及一種用于從一個(gè)單獨(dú)井眼形成多個(gè)豎直液壓裂縫以提高來自井眼周圍地層的石油流體的抽取的方法。用于起裂的這樣的任何套管系統(tǒng)，將有一種機(jī)構(gòu)確保在每個(gè)裂縫形成之后套管保持敞開，以提供井眼到液壓裂縫的液壓連接。
用于形成液壓裂縫的壓裂流體有兩個(gè)目的。首先，壓裂流體必須被調(diào)配成在地下地層內(nèi)起裂和擴(kuò)展裂縫。從這一方面說，壓裂流體有特定的性能。壓裂流體不應(yīng)泄漏到地層，壓裂流體應(yīng)是干凈地清除最小殘留物的，并且壓裂流體應(yīng)當(dāng)具有低的摩擦系數(shù)。
第二，一旦注入到裂縫，壓裂流體形成一個(gè)高度可滲透的液壓裂縫。從這一方面說，壓裂流體包括支撐劑，支撐劑產(chǎn)生高度可滲透裂縫。這些支撐劑典型地是用于大量液壓裂縫裝置的清潔砂子或?qū)ｉT制造的顆粒(一般地在成分上是陶瓷)，它們還被設(shè)計(jì)成限制支撐劑從裂縫回流到井眼內(nèi)。
本發(fā)明只適用于與在液壓裂縫深度上占支配地位的豎直覆蓋層應(yīng)力相比較具有低粘結(jié)強(qiáng)度的不牢固的或脆弱粘結(jié)的沉積物的地層。低粘結(jié)強(qiáng)度在這里被限定為200磅每平方英寸(psi)或25％的總的豎直覆蓋層應(yīng)力兩者中的較大者。這樣的不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物的例子是白堊和硅藻土地層。它們具有固有的高孔隙率，并因此大量存在于就地石油儲(chǔ)量中，但是具有低的滲透性，該滲透性要求生成液壓裂縫以增加來自這樣的地層的石油流體的產(chǎn)量。按照常規(guī)的液壓開裂，這些地層將只生產(chǎn)其就地石油儲(chǔ)量的一小部分；而在單獨(dú)井眼中的多方位控制的豎直液壓裂縫具有實(shí)質(zhì)上增加來自地層的產(chǎn)量和可回收儲(chǔ)量的潛力。不牢固和脆弱粘結(jié)的沉積物的另一個(gè)例子是油砂或?yàn)r青砂，其中重油或?yàn)r青油的石油流體是高粘度的，井眼中需要蒸汽洪流(steam flood)或蒸汽循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)來自地層的石油流體的可接受產(chǎn)量。來自單獨(dú)井眼的多方位的砂填裂縫將大大地增加蒸汽洪流或蒸汽循環(huán)的影響區(qū)域，并且導(dǎo)致較高速率的產(chǎn)量且導(dǎo)致來自地層的石油流體的較大回收。該方法不適合于裂縫方位由地層應(yīng)力狀況控制的牢固的脆性巖石層。
雖然本發(fā)明設(shè)想形成這樣的裂縫，這些裂縫一般側(cè)向延伸離開穿透地層的豎直或接近豎直的井并在距該井的相對(duì)的方向上在通常豎直的平面上延伸，即為一個(gè)垂直兩翼裂縫。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可以在這樣的地層中實(shí)施，即其中裂縫和井眼能夠在除豎直方向之外的方向上延伸。
因此，本發(fā)明提供了一種用于在不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物的地層中在單獨(dú)井眼內(nèi)控制多個(gè)豎直液壓裂縫的方位的方法和裝置。
本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)合附圖與權(quán)利要求的同時(shí)在看過下面的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述之后，權(quán)利要求將變得顯而易見。


圖1是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有兩翼起裂區(qū)段的井套管的水平剖視圖。
圖2是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有兩翼起裂區(qū)段的井套管的側(cè)向剖視立面圖。
圖3是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有兩翼起裂區(qū)段的放大的井套管的水平剖視圖。
圖4是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有兩翼起裂區(qū)段的井套管的側(cè)向剖視立面圖。
圖5是在第一方位控制的豎直裂縫起裂之后，具有兩翼起裂區(qū)段的井套管的水平剖視圖。
圖6是在第二方位控制的豎直裂縫起裂之后，具有兩翼的起裂區(qū)段的井套管的水平剖視圖。
圖7是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，每個(gè)都具有兩翼起裂區(qū)段的兩個(gè)注入井套管的側(cè)向剖視立面圖。
圖8是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有四翼起裂區(qū)段的井套管的放大的水平剖視圖。
圖9是在多方位控制的豎直裂縫起裂之前，具有四翼起裂區(qū)段的井套管的側(cè)向剖視立面圖。
圖10是在第四方位控制的豎直裂縫起裂之后，具有四翼起裂區(qū)段的井套管的水平剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面描述并在附圖中示出本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明涉及用于在一個(gè)單獨(dú)井眼諸如產(chǎn)油井的不牢固和脆弱粘結(jié)的沉積物的地下地層中起裂和擴(kuò)展多方位控制的豎直液壓裂縫的方法和裝置。此外，本發(fā)明涉及用于在所形成的液壓裂縫和井眼之間提供高度液壓連接，以提高來自地層的石油流體的產(chǎn)量以及使裂縫能夠單獨(dú)地重新破裂，以在地層內(nèi)達(dá)到更厚和更能滲透的適當(dāng)裂縫的方法和裝置。
參照附圖，其中同樣的數(shù)字指示同樣的元件，圖1、2和3示出了初始建立用于形成雙方位控制的豎直裂縫的方法和裝置。常規(guī)的井眼5是通過沖洗旋轉(zhuǎn)法或纜索工具法以進(jìn)入不牢固或脆弱粘結(jié)的沉積物的地層8直至地表6之下的一個(gè)預(yù)定深度7處來完成的。注入套管1安裝到預(yù)定深度7。安裝是通過澆灌水泥漿(grout)4來完成，水泥漿完全填滿在注入套管1外側(cè)和井眼5之間的環(huán)形空間。注入套管1包括四個(gè)起裂區(qū)段11、21、31和41(圖3)，以產(chǎn)生兩個(gè)液壓分裂位置71和72以及兩個(gè)液壓分裂位置81和82，兩個(gè)液壓分裂位置71和72再產(chǎn)生沿平面2、2′定向的第一裂縫，兩個(gè)液壓分裂位置81和82再產(chǎn)生沿平面3、3′定向的第二裂縫，如在圖5和6中所示。注入套管1必須由這種材料制造的，即它能夠承受在壓裂流體增壓過程中壓裂流體作用在注入套管1內(nèi)部的壓力。水泥漿4可以是在裂縫生成的整個(gè)過程中維持在注入套管1外側(cè)和井眼5之間的間隔的任何常規(guī)材料，優(yōu)選地為一種不收縮或低收縮的水泥基水泥漿。
注入套管1的外表面應(yīng)當(dāng)是粗糙的或這樣制造的，以致水泥漿4以最小強(qiáng)度粘結(jié)到注入套管1，最小強(qiáng)度等于起裂方位控制的豎直裂縫所要求的井眼底部壓力。水泥漿4與套管1外表面的粘結(jié)強(qiáng)度阻止壓裂流體短路沿套管-水泥漿分界面到達(dá)地表6。
參照?qǐng)D1、2和3，注入套管1包括安裝在井眼5內(nèi)預(yù)定深度7的兩翼起裂區(qū)段11、21、31和41。帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41能夠用與注入套管1同樣的材料制造。帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41平行對(duì)準(zhǔn)于并通過裂縫平面2、2′和3、3′裂縫平面2、2′和3、3′分別與由分裂位置71和72(圖5)形成的第一方位控制的豎直液壓裂縫和由分裂位置81和82(圖6)形成的第二方位控制的豎直液壓裂縫重合。帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41在地表面之下的位置，將取決于誘發(fā)多方位液壓裂縫所要求的現(xiàn)場(chǎng)幾何條件和儲(chǔ)層特性和可回收儲(chǔ)量。
井套管1的帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41優(yōu)選由四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件構(gòu)成，如圖3所示。帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的結(jié)構(gòu)形狀不局限于所示形狀，但是所選結(jié)構(gòu)形狀必須允許裂縫沿裂縫平面2、2′和3、3′在至少兩個(gè)相對(duì)的方向上側(cè)向擴(kuò)展。在圖3中，在起裂裂縫之前，帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件由剪力緊固件13、23、33和43共同連接在一起。帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件由墊片12、22、32和42密封。墊片12，22，32和42和緊固件13，23，33和43被設(shè)計(jì)成在水泥漿40澆灌過程中保持水泥漿40不泄漏到帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的內(nèi)部。墊片12、22、32和42對(duì)準(zhǔn)裂縫平面2，2′和3，3′并限定在帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41之間的弱化線。特別地，帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41設(shè)計(jì)成沿與裂縫平面2，2′和3，3′重合的弱化線分開。在起裂過程中，如圖5和6所示，帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41沿弱化線分開，而不造成帶翼的起裂區(qū)段11、23、31和41的實(shí)體損傷。能夠采用連接四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件的帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的任何措施，包括但不局限于夾子、粘膠或弱化的緊固件，只要由緊固措施所施加的將帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件保持在一起的壓力大于水泥漿4作用在帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的外部上的壓力。換句話說，緊固件13，23，33和43必須足以防止水泥漿4泄漏到帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的內(nèi)部。緊固件13，23，33和43在起裂過程中在一定的施加載荷時(shí)將張開，在裂縫擴(kuò)展過程中進(jìn)一步張開，并且在裂縫完成之后不關(guān)閉。緊固件13，23，33和43能夠包括各種各樣的裝置，只要它們有明顯(distinct)的張開壓力，在裂縫建立過程中它們逐步張開，并且在裂縫生成之后甚至在泥土封閉應(yīng)力作用下它們保持張開。緊固件13、23、33和43還限制帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的四個(gè)對(duì)稱的四分之一部件的最大張開量。每個(gè)緊固件13、23、33和43包括彈簧加載的楔塊18。楔塊18允許緊固件在裂縫生成過程中逐步張開以及在裂縫生成之后在泥土封閉過程中的壓縮應(yīng)力作用下保持張開，而所允許的張開量由螺栓19的長(zhǎng)度來確定。
參照?qǐng)D3，井篩管區(qū)段14、24、34和44被包容在相鄰的帶翼的起裂區(qū)段11、21、31和41的剪力夾緊區(qū)段15，15′，25，25′，35，35′和45，45′內(nèi)。篩管區(qū)段14，24，34和44是由常規(guī)的井篩管材料構(gòu)成，它限制地層土壤顆粒進(jìn)入到井眼中。篩管區(qū)段14，24，34和44是由剪力夾緊器15，15′，25，25′，35，35′和45，45′牢固地保持，以在起裂和擴(kuò)展過程中在篩管區(qū)段在夾緊器15，15′，25，25′，35，35′和45，45′內(nèi)在滑動(dòng)或屈服之前，提供限制應(yīng)力，如在圖5和6上分別對(duì)第一和第二裂縫所示的。參照?qǐng)D3和4，通道17、27、37和47通過注入套管1頂部段9連通到內(nèi)套管井眼通道10的開孔51，52，53和54。通道10是注入套管起裂區(qū)段中的井眼通道16的延伸段。
參照?qǐng)D3，4，5和6，在起裂之前，內(nèi)套管井眼通道10和16用砂子18填充到最低連通開孔51和52的下面。單獨(dú)的封隔器60下降到注入套管頂部段9的內(nèi)套管井眼通道10中，并且脹接在直接在最低開孔51和52上方的一個(gè)位置處的這個(gè)段內(nèi)，如在圖4所示。壓裂流體20從泵系統(tǒng)泵入到壓力管50中，通過單獨(dú)的封隔器60，進(jìn)到開孔51和52，并向下到通道17和37，以便起裂沿方位平面2，2′的第一裂縫。參照?qǐng)D5，當(dāng)壓裂流體20的壓力增加到超過側(cè)向的地層壓力的水平，帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61和62在起裂過程中將沿帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的裂縫平面2，2′開始分開，而對(duì)帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61和62沒有實(shí)體損傷。當(dāng)兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61和62分開時(shí)，墊片12和32破裂，緊固件13和33張開，篩管區(qū)段14和34在剪力夾緊器15，15′和35，35′中滑動(dòng)，允許兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61和62沿裂縫平面2，2′分開，如圖5中所示，而對(duì)帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61，62沒有實(shí)體損傷。在帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61，62分開的過程中，粘結(jié)到注入套管1(圖5)和帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件61和62的水泥漿4將開始使鄰接的沉積物70膨脹，沿計(jì)劃的方位控制的第一豎直裂縫的裂縫平面2，2′形成土壤70的分裂位置71和72。壓裂流體20迅速地填充土壤70的分裂位置71和72以起裂第一裂縫。在帶翼的起裂區(qū)段11，21，31和41的兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)開部件內(nèi)，壓裂流體20對(duì)土壤70施加法向力73。該法向力垂直于裂縫平面2，2′并與土壤70的水平應(yīng)力74方向相反。這樣，壓裂流體20逐步使分裂位置71和72延伸，并且沿平面2，2′繼續(xù)維持起裂的第一裂縫所要求的方位。方位控制的第一垂直裂縫將通過壓裂流體20的繼續(xù)泵送而膨脹直到第一方位控制的液壓裂縫已達(dá)到所希望的幾何形狀。
在第一裂縫完成之后，參照?qǐng)D3，4，5和6，單獨(dú)的封隔器60在注入套管井眼10內(nèi)上升到鄰近開孔53和54上方。開孔53和54分別連通到通道27和47。第一裂縫裝置中的壓裂流體20通過應(yīng)用酶或酸來造成壓裂流體中的砂支撐劑的沉淀并因此引起砂沉淀在通道17和37中而迅速中斷所述通道，和/或?qū)⒏郊拥纳胺胖迷谕ǖ?7和37和井眼10內(nèi)并正好低于開孔53和54，以致用于第二裂縫注入的壓裂流體80將不造成第一裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，這是由于通道17和37中的砂子所提供的高的橋接應(yīng)力(bridging stress)。這樣，壓裂流體80將優(yōu)選地通過開孔53和54以及通道27和47來起裂在方位平面3，3′上的第二裂縫。當(dāng)壓裂流體80壓力在單獨(dú)的封隔器60下面增加時(shí)，方位控制的第二豎直裂縫沿平面3，3′起裂和擴(kuò)展，如前面對(duì)在不同的方位平面2，2′上起裂的第一裂縫所述。
在完成第二裂縫和壓裂流體80中斷之后，在注入套管井眼通道10和16中的砂子被沖洗掉，注入套管充當(dāng)生產(chǎn)井眼，用于在剛形成的液壓裂縫的深度和廣度處從地層抽取石油流體。井篩管區(qū)段14，24，34和44跨接由第一裂縫和第二裂縫所形成的井套管的開口，并且起常規(guī)的井篩管的作用，阻止支撐劑流回到生產(chǎn)井眼通道16和10，緊固件13，23，33和43保持張開，由此提供在井眼通道16和裂縫以及地層之間的高度的液壓連通。如果必要，在從生產(chǎn)井眼通道10和16中沖洗砂子以從地層中抽取石油流體之前，能夠通過開孔51和52首先沖洗掉通道17和37內(nèi)的砂子，來再次使已經(jīng)形成的裂縫開裂，這樣再次裂開形成的第一裂縫。再次裂開該裂縫能夠在地層中形成更厚和更可滲透的裂縫。同樣，能夠通過開孔53和54沖洗掉通道27和47的砂子來再次使第二裂縫裂開，類似于前面所描述的再裂開第一裂縫。
參照?qǐng)D4，5和6，一旦起裂，將壓裂流體20和80通過注入套管1的井眼通道10，注入到起裂區(qū)段11，21，31和41的內(nèi)通道17，27，37和47并進(jìn)入起裂后的裂縫，能夠利用任何常規(guī)的使壓裂流體20和80增壓的措施來實(shí)現(xiàn)。常規(guī)措施可以包括任何的泵裝置，以使處于運(yùn)輸壓裂流體20和80所必需的壓力下的壓裂流體20和80和支撐劑進(jìn)入起裂的裂縫，來協(xié)助裂縫擴(kuò)展和在地下地層中形成多方位豎直的可滲透支撐劑充填的裂縫。對(duì)于成功的起裂和擴(kuò)展到所希望的尺寸以及裂縫滲透性，壓裂流體20和80的優(yōu)選實(shí)施例應(yīng)當(dāng)具有下列特征。
壓裂流體20和80不應(yīng)當(dāng)過量泄漏或損失其液體成分進(jìn)入鄰近的不牢固的土壤和沉積物中。壓裂流體20和80應(yīng)能夠在形成的方位控制的豎直裂縫邊緣處會(huì)遇到的低流速下攜帶壓裂流體20和80中的固體部分(支撐劑)。壓裂流體20應(yīng)具有其末期使用的功能特性諸如耐久性、強(qiáng)度、孔隙度、滲透性等。
壓裂流體20和80應(yīng)當(dāng)與支撐劑、地下地層、地層流體相容。而且，壓裂流體20和80應(yīng)當(dāng)能夠控制其粘度以使支撐劑運(yùn)送到在地層中誘發(fā)的裂縫的整個(gè)范圍內(nèi)。壓裂流體20和80應(yīng)當(dāng)是一種有效流體，即從裂縫到地層的低泄漏，能清除細(xì)小殘?jiān)约熬哂械偷哪Σ料禂?shù)。壓裂流體20和80不應(yīng)當(dāng)過量泄漏或損失其液體成分進(jìn)入鄰近的不牢固或脆弱粘結(jié)的地層。對(duì)于可滲透的裂縫，含有淀粉的凝膠應(yīng)當(dāng)能夠降解，留下細(xì)小殘?jiān)粨p害裂縫支撐劑的性能。低摩擦系數(shù)的流體是需要的，以減少管道中和下降井眼中的泵壓頭損失。當(dāng)希望有液壓可滲透裂縫時(shí)，典型地，凝膠與支撐劑和壓裂流體一起使用。優(yōu)選的凝膠可以包括但不局限下列產(chǎn)品水基瓜爾樹膠凝膠(water-basedguar gum gel)，羥丙基瓜爾膠壓裂液(HPG)，天然聚合物或纖維素基凝膠諸如羧甲基羥乙基纖維素(CMHEC)。
凝膠一般是交聯(lián)的以達(dá)到足夠高的粘度來運(yùn)送支撐劑到裂縫末端。交聯(lián)劑典型地是分配在聚合物之間的金屬離子，諸如硼酸鹽、銻、鋯等，并產(chǎn)生金屬離子和羥基或羧基組之間的強(qiáng)吸引。凝膠在非交聯(lián)狀態(tài)是水溶的，在交聯(lián)狀態(tài)是不水溶的。在交聯(lián)時(shí)，凝膠能夠是極粘的，由此確保支撐劑在所有時(shí)間保持懸浮。加入酶破壞劑以可控制地將粘性的交聯(lián)凝膠降解成水和糖。酶典型地用數(shù)小時(shí)來生物降解凝膠，在破壞交聯(lián)和凝膠的降解完成以后，用支撐劑填充的可滲透裂縫以最小凝膠殘留保留在地層內(nèi)。對(duì)于某些支撐劑，能夠?qū)H緩沖劑加入到凝膠中，以確保凝膠的就地PH值是在酶活性的合適范圍內(nèi)。
將壓裂流體—凝膠—支撐劑混合物注入地層，該混合物攜帶支撐劑到裂縫末端。一旦裂縫擴(kuò)大到所要求的側(cè)向和垂直范圍，可能需要增加預(yù)定的裂縫厚度，這可以通過抽出篩管(tip screen out)的方法或通過使已經(jīng)誘發(fā)的裂縫再裂開來實(shí)現(xiàn)。抽出篩管的方法涉及改變支撐劑裝載和/或壓裂流體20和80性能，以達(dá)到裂縫尖端處的支撐劑橋接。在抽出篩管之后進(jìn)一步注入壓裂流體20和80，不是使裂縫側(cè)向或豎向延伸，而是注入流體使裂縫加寬也就是使裂縫變厚。已經(jīng)誘發(fā)裂縫的再裂開能夠建立較寬和更可滲透的裂縫，并且還提供優(yōu)選地注入蒸汽、二氧化碳、化學(xué)藥劑等的能力，以提高來自地層的石油流體的回收。
壓裂流體20和80的密度通過增加或減少支撐劑裝載量或改變支撐劑材料的密度能夠改變。在許多情況中，壓裂流體20和80密度將被控制，以確保裂縫初始向下擴(kuò)展和達(dá)到預(yù)期的裂縫所要求高度。這種向下的裂縫擴(kuò)展取決于就地的深度方向的水平地層的應(yīng)力梯度，并且要求凝膠密度典型地大于1.25gm/cc。
壓裂流體20和80的粘度應(yīng)當(dāng)足夠高，以確保支撐劑在注入到地下時(shí)保持懸浮，否則，密的支撐劑材料將沉降或沉淀出來，輕的支撐劑材料將在壓裂流體中流動(dòng)或上升。壓裂流體20和80的要求粘度取決于支撐劑和凝膠的密度比和支撐劑的最大顆粒直徑。對(duì)于中等顆粒尺寸的粒子，即類似于中等砂子的顆粒尺寸，壓裂流體20和80粘度典型地需要大于在剪切速率為1/秒時(shí)的100厘泊。
參照?qǐng)D7，兩個(gè)注入套管91和92被安置在井眼95的不同深度93和94處，以及通過水泥漿充填注入套管91和92和井眼95之間的環(huán)形空間被澆灌到地層中。用砂子填充井眼通道110正好到開孔101和102下面，使下部注入套管91首先裂開。將封隔器100下降到井眼通道110中正好在開孔101和102上面，并且在井眼通道110內(nèi)膨脹。壓裂流體120被泵進(jìn)封隔器管柱105中，并且通過封隔器100進(jìn)到開孔101和102中，以按如前所述在第一要求裂縫方位處起裂第一豎直液壓裂縫。一旦完成第一注入套管91內(nèi)的第一裂縫，將封隔器100上升到正好在開孔103和104的上方，在第一注入套管91中起裂第二裂縫，如前描述。在第一注入套管91中的裂縫完成之后，重復(fù)該過程如下，將封隔器100提升到正好在開孔111和112的上方，以在第二注入套管92中起裂第一裂縫，并且整個(gè)過程被重復(fù)以形成安裝在井眼95內(nèi)的注入套管中的所有裂縫。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例示于圖8，9和10，包括被插入在井眼97的并且用水泥漿98澆灌就位的注入套管96。注入套管96包括八個(gè)對(duì)稱起裂區(qū)段121，131，141，151，161，171，181和191，以在不同的方位平面122，122′，123，123′，124，124′和125，125′上安裝總共四個(gè)液壓裂縫。用于起裂第一裂縫的誘發(fā)通道126和166的通道連通到開孔127和167，第一裂縫沿方位平面122，122′起裂和擴(kuò)展，如前所述。起裂第二裂縫的通道146和186連通到開孔147和187，第二裂縫沿方位平面123，123′起裂和擴(kuò)展，如前所述。起裂第三裂縫的通道136和176連通到開孔137和177，第三裂縫沿方位平面124，124′起裂和擴(kuò)展，如對(duì)前面安裝的裂縫所述。起裂第四裂縫的通道156和196連通到開孔157和197，第四裂縫沿方位平面125，125′起裂和擴(kuò)展，如對(duì)前面安裝的裂縫所述。該工藝過程導(dǎo)致從一個(gè)單獨(dú)井眼在不同方位安裝四個(gè)液壓裂縫，如圖10所示。
最后，應(yīng)理解的是優(yōu)選的實(shí)施例已經(jīng)通過例子公開，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以出現(xiàn)其他一些改變而不偏離附錄權(quán)利要求的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于在不牢固的和脆弱粘結(jié)的沉積物的地層中形成定向在不同方位的多個(gè)豎直液壓裂縫的方法，包括a.在所述地層中井眼直到預(yù)定深度；b.在所述井眼內(nèi)在預(yù)定深度處安裝注入套管；c.以足夠的開裂壓力將壓裂流體注入到所述注入套管中，以在第一優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹，由此在正交于第一膨脹方向的第一方位起裂第一豎直裂縫；以及d.以足夠的開裂壓力將壓裂流體再注入到注入套管中，以在不同于第一優(yōu)選方向的第二優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹；e.防止壓裂流體進(jìn)入第一豎直裂縫，由此在正交于第二優(yōu)選膨脹方向的第二方位起裂第二豎直裂縫。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括a.在井眼中在預(yù)定深度處安裝所述注入套管，其中在套管的外表面和井眼之間存在環(huán)形空間，b.用水泥漿填充所述環(huán)形空間，所述水泥漿粘結(jié)到套管的外表面，其中所述套管具有由弱化線分開的多個(gè)起裂區(qū)段，以致在開裂壓力下所述裂區(qū)段沿所述弱化線分開。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述壓裂流體使水泥漿和地層膨脹以在地層中在第一弱化線處起裂第一裂縫，繼后壓裂流體使水泥漿和地層膨脹以在地層中在第二弱化線處起裂第二裂縫。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述壓裂流體不從裂縫泄漏到地層中。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中所述壓裂流體包括支撐劑，并且所述壓裂流體能夠在低流速下攜帶壓裂流體的支撐劑。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述壓裂流體干凈地清除最小殘留物。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述壓裂流體具有低摩擦系數(shù)。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述壓裂流體包括水基瓜爾樹膠凝膠漿。
9.如權(quán)利要求3的方法，其中所述套管包括具有兩個(gè)膨脹方向的兩個(gè)起裂區(qū)段，所述第一弱化線和第二弱化線是正交的。
10.如權(quán)利要求3的方法，其中所述套管包括具有三個(gè)膨脹方向的三個(gè)起裂區(qū)段。
11.如權(quán)利要求3的方法，其中所述套管包括具有四個(gè)膨脹方向的四個(gè)起裂區(qū)段，第一弱化線和第二弱化線是彼此正交的，第三弱化線和第四弱化線是彼此正交的。
12.如權(quán)利要求2的方法，其中所述起裂區(qū)段在壓裂流體使套管膨脹之后保持分開，以提供在液壓開裂完成之后第一裂縫和第二裂縫與井眼的液壓連通。
13.如權(quán)利要求2的方法，其中所述壓裂流體包括支撐劑，每個(gè)起裂區(qū)段包括井篩管區(qū)段，所述井篩管區(qū)段將液壓裂縫中的支撐劑與生產(chǎn)井眼分開，這樣在流體抽取過程中防止支撐劑從裂縫流回到生產(chǎn)井眼。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括每個(gè)以前已注入的裂縫的再開裂。
15.如權(quán)利要求1的方法，其中所述地層的膨脹是這樣實(shí)現(xiàn)的，即在第一起裂裂縫所要求的方位處在地層中首先切割豎向槽；以足夠的開裂壓力將壓裂流體注入到所述槽中，以在這個(gè)第一優(yōu)選的方向上使地層膨脹，由此在正交于第一膨脹方向的方位處起裂第一豎直裂縫；在第一裂縫注入之后，通過繼后的以足夠的開裂壓力將壓裂流體注入到第二和繼后的槽中，所述第二和繼后的槽切割在要求的裂縫方位處的地層中，以在與第一和繼后的優(yōu)選方向不同的方位處在第二和繼后的優(yōu)選方向上使地層膨脹，以防止壓裂流體進(jìn)入較早的第一和繼后的豎直裂縫中，由此在正交于第二和繼后的膨脹方向的方位處起裂第二和繼后的豎直裂縫。
16.在不牢固的和脆弱粘結(jié)的沉積物的地層中的井，包括a.在地層中的到預(yù)定深度的井眼；b.在所述井眼中在預(yù)定深度處的注入套管；c.壓裂流體源，用于以足夠的開裂壓力將壓裂流體輸送到所述注入套管，以在第一優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹，由此在正交于第一膨脹方向的第一方位處起裂第一豎直裂縫，在不同于第一優(yōu)選方向的第二優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹，由此在正交于第二膨脹方向的第二方位處起裂第二豎直裂縫。
17.如權(quán)利要求16的井，其中所述注入套管進(jìn)一步包括a.由弱化線分開的多個(gè)起裂區(qū)段；b.在所述起裂區(qū)段內(nèi)的多個(gè)通道，所述多個(gè)通道穿過弱化線連通以引入壓裂流體使套管膨脹并沿弱化線使起裂區(qū)段分開，其中所述多個(gè)通道與壓裂流體源相互連通以在第一優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹，由此在正交于第一膨脹方向的第一方位處起裂第一豎直裂縫，在不同于第一優(yōu)選方向的第二優(yōu)選方向上使注入套管和地層膨脹，由此在正交于第二膨脹方向的第二方位處起裂第二豎直裂縫。
18.如權(quán)利要求16的井，其中所述壓裂流體不從裂縫泄漏到地層。
19.如權(quán)利要求16的井，其中所述壓裂流體包括支撐劑，壓裂流體能夠在低流速下攜帶壓裂流體的支撐劑。
20.如權(quán)利要求16的井，其中所述壓裂流體干凈地清除最小殘留物。
21.如權(quán)利要求16的井，其中所述壓裂流體具有低的摩擦系數(shù)。
22.如權(quán)利要求16的井，其中所述壓裂流體包括水基瓜爾樹膠凝膠漿。
23.如權(quán)利要求17的井，其中所述起裂區(qū)段在壓裂流體使套管膨脹之后保持分開，以提供在液壓開裂完成之后第一裂縫和第二裂縫與井眼的液壓連通。
24.如權(quán)利要求17的井，其中所述壓裂流體包括支撐劑，每個(gè)起裂區(qū)段包括井篩管區(qū)段，所述井篩管區(qū)段將液壓裂縫中的支撐劑與生產(chǎn)井眼分開，這樣在石油流體抽取過程中防止支撐劑從裂縫流回到生產(chǎn)井眼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在一個(gè)單獨(dú)井眼中在不牢固和脆弱粘結(jié)的沉積物中起裂多方位控制的豎直液壓裂縫，以控制在不同方位處的起裂和液壓裂縫的擴(kuò)展。多方位豎直裂縫使來自地層的石油流體能夠有更大的產(chǎn)量和增加的回收。帶有多個(gè)起裂區(qū)段的注入套管被插入并且灌漿到一個(gè)井眼內(nèi)。攜帶支撐劑的壓裂流體被注入到注入套管，并且張開起裂區(qū)段，使在正交于第一裂縫方位平面的方向上的地層膨脹。在第一次裂縫注入完成之后，壓裂流體被注入到注入套管，并且張開一組第二和繼后的起裂區(qū)段，使地層膨脹并使第二和繼后的豎直液壓裂縫在不同于第一和繼后的較早安置的裂縫的方位處起裂和擴(kuò)展。
文檔編號(hào)E21B43/25GK1890454SQ200480036251
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者G·古金 申請(qǐng)人:喬西拉公司