對水平井進行水力壓裂從而增產的方法

2023-05-08 23:20:26

專利名稱：對水平井進行水力壓裂從而增產的方法
技術領域：
本發明涉及在地下地層中進行水力壓裂，並且更具體地涉及用於優化裂縫導流能 力的方法。
背景技術：
水力壓裂是一種用於通過將來自井眼的高傳導性裂縫放置或延伸到儲層內來增 加井產能的主要工具。傳統的水力壓裂處理通常被認為具有幾個不同的階段。在第一階段期間，在高速和高壓下將水力壓裂流體通過井眼注入到地下地層中。 壓裂液注入速度超過進入地層內的過濾速度，從而增加生產層表面處的液壓。當流體壓力 超過閾值時，地層巖層或巖石破裂並斷裂。水力壓裂開始並且當持續注入壓裂液時水力壓 裂裂縫開始擴展到地層內。在接下來的階段期間，支撐劑與壓裂液混合併且在整個水力壓裂裂縫中被輸送。 在所設計的長度上沉積在人工裂縫內的支撐劑在停止注入之後機械地防止裂縫閉合。一旦 壓裂處理結束，並且井被轉換到生產模式，油/氣流入到裂縫並且通過支撐劑充填層沿井 眼流動。油/氣的開採速度基本上取決於包括地層滲透率、地層中的液壓、採出液的特性、 裂縫的形狀等的參數的數值。最重要的參數並且在水力壓裂中可以控制和調節的參數是支 撐劑充填層滲透率。在多種情況中，當將支撐劑充填層的水力傳導率增加到超過傳統技術 的限度時，可以顯著提高經濟效益。迄今為止公開的許多發明旨在增加含油氣層中所產生的裂縫的水力傳導率。其它發明提出了在支撐劑充填層中產生高傳導性孔道。這些孔道被假設為沒有支 撐劑並且為儲層流體提供傳導性孔道。在專利(US3850247A1,US3592266, US5411091A1, US20050274523A1, US6776235) 中，通過泵送交替層段壓裂料(這些交替層段壓裂料的至少一個參數是不同的)而產生高 傳導性孔道。例如，在US3592266中，提供了通過泵送粘性明顯不同的交替體積的流體而在 支撐劑充填層中產生不均勻性。在US6776235中，流體的攜砂能力和/或支撐劑的濃度不 同。所有專利假定在壓裂處理的初始階段引入的不均勻性將在整個壓裂處理過程中保持， 前述壓裂處理的初始階段是當流體被混合併被泵送到井眼內時的時刻。壓裂漿中的不均勻 性被認為使所產生的支撐劑充填層產生不均勻性。

發明內容
提出了用於水平井的開採增產處理的新技術。所述技術基於段塞方法(slugging approach)，並與具體射孔策略結合。本發明涉及通過將不均勻的支撐劑充填層裝填到裂縫 內而實現裂縫傳導性的大幅度增加。


圖1說明了用於在水平井中形成縱向裂縫的傳統的均勻支撐劑充填層的過程(初始階段)；注釋1_井眼，2-支撐劑，3-射孔孔眼在套管上的排列圖2說明了用於在水平井中形成縱向裂縫的不均勻支撐劑充填層的過程(初始階 段)；注釋1_井眼，2-支撐劑，3-射孔孔眼在套管上的排列圖3顯示了用於在水平井中形成橫向裂縫的不均勻支撐劑充填層(初始階段)；注釋1_井眼，3-射孔孔眼在套管上的排列，4-橫向裂縫圖4顯示橫向裂縫中的不均勻充填層的示意圖。到達射孔區的支撐劑的段塞在孔 眼中被分成多個柱，所述柱沿徑向方向自井眼傳播；注釋1_井眼，2-支撐劑，3-射孔孔眼在套管上的排列；4-橫向裂縫圖5顯示橫向裂縫中的不均勻充填層的示意圖。顯示了在基於低粘度流體注入之 後的支撐劑的段塞。注釋1-井眼，2-支撐劑，3-射孔孔眼在套管上的排列，4-橫向裂縫，5-通過支撐 劑柱指進，注入的低粘度流體。圖6顯示相鄰簇之間的射孔方位的變化。這種變化對於相鄰簇來說在不同的孔眼 兩端產生壓降。壓降差將使通過相鄰簇的先前的柱產生不同的速度，從而防止所述柱一起 被泵送並提供不均勻支撐劑充填層。注釋1_井眼，3-射孔孔眼在套管上的排列，6-被稱作為擇優裂縫面(PFP)的裂 縫增長的方向。
具體實施例方式本發明提出了一種在水平井應用中在水力壓裂裂縫中產生不均勻的支撐劑充填 層並因此產生流動可獲得的傳導性開口網的方法。與傳統的(被均勻支撐)裂縫相比，被 這種不均勻支撐劑充填層覆蓋的水力壓裂裂縫將具有基本上更高的傳導性，並因此將增加 油氣開採速度。用於在裂縫中形成不均勻支撐劑充填層的方法與具體射孔方案結合，基於將壓裂 液和裝填有支撐劑的壓裂液交替注入裂縫內。本發明不涵蓋壓裂液和具有支撐劑的壓裂液的交替注入，而是關注於新的射孔方案。壓裂液和具有支撐劑的壓裂液的交替注入包括以下詳細說明的多個階段。第一階段是壓裂液的注入和裂縫的形成/擴展。第二階段是在具體設備(所述具體設備不是給定專利的主題)的幫助下將給定體 積的支撐劑添加到壓裂液。(以給定支撐劑含量)與壓裂液混合的給定體積的支撐劑被稱 作為支撐劑段塞。沿井眼將所述支撐劑段塞輸送到射孔區。一個支撐劑段塞內的支撐劑的 體積是重要的參數，並且對最終的裂縫的期望特性具有實質影響。為了計算所述體積，應該 知道諸如巖石的楊氏模量和裂縫閉合壓力的地層參數。基於含有巖石的油/氣的這些參 數，可計算支撐劑段塞的尺寸，使得注入的支撐劑部分能夠防止裂縫閉合。所發現的是為了 實現必需的傳導性增加，在通常的現有泵送速度下單個段塞泵送(在地面上)的時間需要 小於30-40秒。
第三階段是注入給定體積的沒有支撐劑的壓裂液。在第三階段期間注入的體積是 用於產生強透水的不均勻支撐劑結構的關鍵參數。可由諸如巖石的楊氏模量的參數、裂縫 閉合壓力和支撐劑段塞的尺寸來確定沒有支撐劑的壓裂液的體積。所發現的是在現有的泵 送速度下第三階段泵送的時間在30-40秒以下，以防止裂縫閉合。在第二階段期間生成的支撐劑段塞沿井眼被輸送到射孔區。已經到達射孔區的支 撐劑段塞被分成多個更小部分(所謂的支撐劑柱)。孔眼簇的數量和尺寸以及段塞體積確 定由一個段塞形成的柱的數量。通過壓裂液將柱向下輸送到裂縫。將第二階段和第三階段重複所需的次數。每一個階段的持續時間和流體中的支撐 劑含量可以變化。因此在裂縫中形成不均勻的支撐劑結構(段塞)。在裂縫閉合之後，穩定的支撐劑 形成物保持裂縫壁並且防止完全閉合。具體射孔策略是本發明的關鍵部分。對於水平井中的不同類型裂縫來說，射孔策 略會變化。現有技術已知水平井應用中的兩種類型的水力壓裂。所述兩種類型的水力壓裂 的裂縫方向不同；這產生縱向裂縫或橫向裂縫。本發明也使用射孔技術的一些說明。雖然射孔技術本身不是本本發明的一部分， 但是可以在 Oilfield Review, Autumn 2006，ρ· 18—35 中的 「NewPractices to Enhance Perforation Results」中得到所述技術的很好說明。在以下說明中，可以使用定向和非定 向射孔技術。推薦的射孔策略如下1.對於縱向裂縫來說，與在以段塞的形式泵送支撐劑(圖2)時的具體泵送計劃結 合，通過產生多組孔眼簇來實現不均勻充填。通過孔眼簇，可利用高射孔密度對孔眼間隔進 行平均。所述簇被非射孔間隔分開。2.對於橫向裂縫來說，可通過產生位於同一平面處但具有不同相位(圖4)的多個 射孔孔眼來實現不均勻支撐劑充填層。將在不同定向的孔眼處產生支撐劑段塞的分離。應 該以微小體積的段塞的形式泵送支撐劑，以防止相鄰支撐劑段塞在輸送期間凝結。3.對於橫向裂縫來說，可通過產生位於相同的平面但是具有不同相位(圖5) 的多個射孔孔眼來實現不均勻支撐劑充填層。應該在沒有支撐劑的低粘度階段之後以 微小體積的段塞的方式泵送支撐劑。因為指進效應，沒有支撐劑的低粘度階段會撕裂 段塞(Homsy G. Viscous fingering in porousmedia. //Annual Rev. of Fluid Mech., 1987. -V. 19. -P. 271. 271-314)。4.對於縱向裂縫來說，射孔孔道相對於優選斷裂面(PFP)的定向(孔眼位置的 相位)對於在一個簇中的孔眼的相鄰孔道來說可以變化，或者可以在兩個相鄰簇之間變化 (儘管在一個簇內所有射孔孔道的方位是相同的)。因此，換句話說，在非定向射孔的情況 下，一個孔道可以具有120度相位，而另一個可以具有60度相位。或者，在定向射孔的情況 下，一個孔道可以相對於PFP以30度被定向，而相鄰的一個孔道可以相對於PFP以10度被 定向。射孔孔道方位的這種變化將在井眼與裂縫內的壓力之間產生不同的壓降，從而使通 過相鄰射孔孔眼的支撐劑段塞穿透的速度不同。依此方式，當相鄰柱彼此分隔開時，可以實 現所述效應。圖6中說明了這種技術。通過在不同的簇之間改變射孔孔道相對於主PFP的方位角，可以引入兩個相鄰孔眼的水力阻抗之間的差，並且這將促進兩個相鄰支撐劑柱的明顯 分離。圖5示出了 180度相位射孔的情況，但是顯而易見的是，這種角度調節技術的使用不 局限於180度定向射孔的情況。通過角度調節，近井眼水力阻抗的變化可以與包括60度相 位的其它射孔相位一起使用。總之，所提供的水力壓裂的新方法包括以下基本概念1.通過交替泵送壓裂液和含有支撐劑的流體對水平井進行壓裂。2.產生具體射孔策略，從而形成具有高射孔密度的射孔孔眼簇。作為極端情況，可 以產生射孔槽。射孔策略的類型取決於裂縫產生的類型。3.對於縱向裂縫來說，用於段塞(階段二)和清潔壓裂液(階段三)的注入時間 應該較小。根據計算，僅當階段二和階段三的注入時間小於30-40秒時，才可實現顯著的水 力傳導率增加。4.對於橫向裂縫來說，通過孔眼到達同一裂縫的支撐劑漿和清潔壓裂液的體積對 於傳導性的顯著增加來說應該非常小。可以通過使用限流壓裂技術並且同時對幾個橫向裂 縫進行壓裂來實現期望的效果。在這種情況下，用於階段二和階段三的注入時間仍然應該 小於30-40秒。這將產生的事實是，在泵送的階段二和階段三期間，移動到橫向裂縫的流體 和支撐劑漿的量較少，並且這使得傳導率增加。這裡公開的技術方案被進一步說明如下模擬裂縫的壁的透明單元被設置成具有ImX 40cm X Icm的尺寸。壓裂液被泵送通 過所述單元。流體通過用作孔眼的Icm的孔被泵送到單元內。被泵送通過所述單元的流體 是含有2. 4g/l聚糖的交聯凝膠。支撐劑渣是含有具有AcFrac CR 20/40支撐劑添加物的 2.4g/l聚糖的交聯凝膠。交聯凝膠中支撐劑含量是960g/l。當清潔凝膠和含有凝膠的支 撐劑段塞交替時，在單元中形成不均勻的支撐劑段塞。泵送速度從1升/分鐘變化到20升 /分鐘。根據透水性測量儀器中不均勻支撐劑段塞的模擬，顯示出單元的透水性顯著增加。 標準支撐劑充填層在6. 9MPa載荷下提供150達西的透水性，而含有不均勻支撐劑段塞的單 元在6. 9MPa載荷下提供3000達西的透水性。
權利要求
一種水平井的水力壓裂方法，用於增加油氣開採速率，所述方法包括簇狀地層射孔策略，該簇狀地層射孔策略與交替注入含有支撐劑的水力壓裂液和不含有支撐劑的水力壓裂液相結合，並形成用於開採液流動的高滲透孔道網，其中，所述含有支撐劑的流體部分在小於30秒的時間期間被直接注入到射孔區，形成支撐劑柱，隨後，在小於30秒的時間期間注入不含有支撐劑的流體部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，對於縱向裂縫來說，通過注入分隔開的支撐劑部 分，提供具有高射孔密度的射孔間隔，來實現不均勻支撐劑分布。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，對於橫向裂縫來說，通過改變相位提供位於同一 平面的多個射孔，並注入很少的支撐劑部分，來實現不均勻支撐劑分布。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，在含有支撐劑的流體部分之間注入含有非支撐 劑的流體的部分，以形成所謂的指進效應。
5.根據權利要求1所述的方法，對於縱向裂縫來說，用於相鄰簇的射孔孔道相對於擇 優裂縫面的方位是不同的，並且一個簇內的所有射孔孔道的方位保持相同。
全文摘要
本發明涉及在地下地層中進行水力壓裂，並且更具體地涉及用於優化裂縫導流能力的方法。
文檔編號E21B43/26GK101952544SQ200880125456
公開日2011年1月19日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者奧列格·奧利高維徹·梅德弗傑夫, 阿納託利·弗拉基米羅維奇·梅德弗傑夫 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司