封堵地下流體的方法
2023-09-15 10:42:00
專利名稱：封堵地下流體的方法
技術領域：
本發明涉及從地下巖層中生產有用流體(如油，氣，水等)，更具體地說，本發明涉及一種方法，利用該方法，可以減少從穿過該地層或別的地層的生產井中、或從該生產井穿過的地層中無用流體的產出。
在一種應用中，有用流體是可供人，城市，或工業使用的水，而無用流體也是對人，城市或工業來說沒有使用價值的水。這種應用的一個例子是這樣一口井，它穿過的一個地層中含有飲用水，而該井穿過的另一個地層中含有微鹹水。
在另一種應用中，有用流體是含有一種或多種化學物質的水，化學物質的濃度達到了工業開採價值，而無用流體是其中所含化學物質不具工業開採價值的水。這種應用的一個例子是這樣一口井，該井所穿過的一個地層的地層水中含有濃度達到工業開採價值的溴離子，而該井穿過的另一個地層的地層水中卻沒有足夠的溴離子濃度。
在又一種應用中，有用流體中含有濃度具有工業開採價值的氣體，而無用流體中不含濃度具有工業開採價值的氣體。這種應用的一個例子是這樣一口井，該井穿過的一個地層中含有濃度具有工業開採價值的二氧化碳，而該井穿過的另一個地層的流體中不含足夠濃度的二氧化碳。
還有另一個應用，在該應用中，有用流體中含有濃度具有工業開採價值的烴，而無用流體是水，其中的烴含量不具有工業開採價值。這種應用的一個例子是這樣一口井，該井穿過的一個地層中含有一種流體，該流體中石油的濃度具有工業開採價值，而該地層的其中一部分或該井穿過的另一個地層的地層水中，石油的濃度不具有工業開採價值。正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，這種烴可以是原油，天然氣，或兩者的任何一種混合物。
正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，有用流體中可以含有任何一種有用產品，或有用產品的一種混合物。這種有用流體可通過油井從地下巖層中抽取出來。正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，單個地下巖層的不同部分可含有一種或多種有用流體，和一種或多種無用流體。正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，有用流體可存在於一口井所穿過的多個地下巖層中，而無用流體可存在於該井所穿過的許多其它的地下巖層中，且含有無用流體的地層可以和含有用流體的地下巖層交錯排列。
在一個水驅油藏中，驅使油藏中有用流體向井眼內運動的主要機理，是地層水體的推進作用。在底水油氣藏的油相正下方，或邊水油氣藏的油柱外翼，都發現了地層水相。在一個水淹油層中，向注水井的地層中注入水，驅使有用流體流入生產井中。在這些情況下，水向原本充滿有用流體的油層的孔隙中運動，使有用流體得以不斷地開採出來。過一段時間後，這種水的運動會導致水向油井生產層的推進，該油井最終將產出人們所不希望的大量的水來。在生產井中，若無用的水的產量一直在上升，則經營該井最終將沒有經濟價值可言。長期以來，人們一直在尋求一種經濟而又有效的方法，以減少乃至消除這類井的出水現象。
在氣頂膨脹油氣藏中，驅使有用流體向井眼中運動的主要機理是上覆氣頂的膨脹和重力作用。在一個油氣藏層中，油和溶解氣存在於氣頂的正下方。在一個氣淹油藏層中，向注水井中注入氣體，驅使有用流體向生產井中運動。在這些情況下，氣體向原本充滿有用流體的地層孔隙中運動，使有用流體得以不斷地開採出來。過一段時間後，這種氣體的運動導致非溶解氣體向油井生產層的推移，使油井最終產出人們所不希望的大量的非溶解氣體。這種情況是我們所不希望出現的，因為它降低了油井有用流體的產能，而且還降低了膨脹氣頂或注入氣的能量使用效率，這些氣體本來是用於向生產井中驅趕有用流體的。對於這類井，需要有一種方法來減少或消除非溶解氣體的產出量。
在混驅油藏中，水驅和氣頂膨脹兩種情況都會出現。在這類油氣藏中，邊水或底水驅與膨脹氣頂的作用相結合，促使有用流體向生產井中流動。對於這類油氣藏，需要有一種經濟而又行之有效的方法，以封閉無用的非溶解氣及水產出。
在相鄰的地層中，常有呈垂向多層分布的單個油氣層，這些相鄰地層常稱為「(多)層」(亦即多油層油氣藏)。為了以最經濟的手段將有用流體從這些多油層油氣藏中開採出來，常採用單井眼從多個油氣藏中同時開採。井眼與這些油層之一相交的地方稱為生產層。單個層可以含有多於一個的產液區，稱為層段。各油層通常有獨特的流體特性，地質特性和採油驅動機理。在這些油層中，在井眼的某個地方，可能會有產出無用流體的層段，它夾在生產有用流體的兩個層段之間，且生產有用流體的兩個層段分屬不同的產層，此時，有必要封堵無用流體的生產層段。
在生產井中，有一種普遍現象，即有非膠結砂巖油層存在。在這類地層中，組成砂巖的砂粒中沒有足夠的粒間膠結物，或者巖石強度不夠，因而不能保證產液過程中所需的巖石穩定性。結果，處於自然狀態的巖石在受到產液過程中施加的應力的作用後，常常發生巖石破壞。巖石破壞產生的小顆粒巖石碎片將進入井中。一旦這些巖石碎片在井中累積起來，滲透率很低的這些細粒物質就會限制相鄰地層和該地層下部的產能。
為了提高砂巖油藏中巖石的穩定性，人們使用了各種各樣的方法(亦即防砂法)。其中一種方法通常稱為「礫石充填」。在一口典型的礫石充填井中，生產油管的一個或多個射孔接口處都環繞著篩管。油管用篩管包裹的部分與生產層相鄰。顆粒均勻、形狀規則的砂粒(即「礫石」)被置(即「充填」)於井眼的射孔段，以及油層套管和環繞油管的篩管之間的環空之中。沙粒，或稱「礫石」被緊密地充填在一起，其粒度應儘可能大，但仍應能夠限制地層砂進入礫石中。環繞生產油管的篩管上的孔眼的孔徑應儘可能地大，但仍應可以限制礫石而不使其穿過。採用這種方法，可以使油井既保持高產能，又防止了地層砂和礫石進入油管。篩管一般都安裝在兩個封隔器之間，使之能夠阻擋與產層相鄰的地層的地層砂。油井經開採後，水位向上或向裡侵入生產層，此時應當採取補救措施，將侵入水與油管隔離開來。
通過向油井填塞水泥，來隔離水和產層中的生產層段，是一種已知的方法。為此目的而使用水泥有幾個問題。首先，當用筒將水泥倒入井中後，提撈筒的不正確動作無意會使水泥堵塞礫石充填區之上油管的未射孔(即無眼)區。這些水泥之後必需將其鑽掉，以使油管保持清潔。其次，如果水泥漿配方不正確，水泥漿可能會不完全穿過射孔油管，因而不能封鎖油管與礫石充填篩管之間的通道。第三，即使水泥有效地封鎖了油管與篩管間的通道，水依然會通過礫石充填環空向上流。
另一個已知的方法見於頒發給McDaniel的美國專利4,972,906。該方法是將一種液態環氧樹脂材料及其硬化劑的混合物打入礫石充填區，以封堵出水層。液態環氧樹脂材料及其硬化劑的混合物的特徵是，環氧樹脂材料的密度大於井產流體的密度。該方法的第一步是在施工過程中，確保油井實際上處於靜止狀態(亦即沒有井下流體的運動或「交叉流動」)，以便環氧樹脂不向油井不需要封堵的部分分散。而且，在環氧樹脂完全固化之前，若地層流體繼續徐徐進入井眼，環氧樹脂橋塞將變成「蜂窩狀」。打入油管中的環氧樹脂和硬化劑的量應足以形成從油管底部到稍高於水層段的部位這樣長的一個固體塞。在某一礫石充填井中，橋塞充滿了射孔油管，篩管和礫石，甚至有可能進入產水層段內的射孔孔眼中，從而封堵了地層的出水。這種辦法可能很有效，但也帶來一些問題，即當要隔離的層段比較長，或在礫石充填區之下有開口套管時，所需環氧樹脂的量是很大的。
美國專利5,090,478(Summers)公開了一種減少礫石充填井出水量的方法。在礫石充填生產井的生產層段之下的射孔油管中，置入一個橋塞，然後，在射孔油管中的橋塞上置兩個砂層，就可以將出水層段隔離。第一個砂層的沙子粒度大於礫石充填所用的沙子。這種粗沙可以將射孔油管和礫石充填篩管之間的通道橋堵住。第二個砂層中的沙子在射孔油管中形成一個密實的填質。向第二個砂層的頂部打入一種液態樹脂。這種樹脂優先向外流入礫石充填區中。但是，由於一些樹脂通過礫石向下流動了一段距離，同時還沿篩管和射孔油管之間的通道向下運動，因而樹脂並不會形成一個實際存在的平的盤狀物。樹脂所形成的類盤狀物也防止了侵入水層段中更多水的產出。這種方法的一個缺陷是在橋塞硬化之前，水會從射孔油管中流出，並向上通過礫石和/或地層，以及又回流到位於樹脂橋塞之上的射孔油管中(亦即「交叉流動」)，從而在樹脂中形成開放的流道。
籤於上述已知措施的缺陷，提供一種方法，以減少或消除生產井中無用流體的產出，就成了本發明的目的。本發明還有一個目的，就是提供幾種行之有效的方法，以減少或消除發生「交叉流動」的井中無用流體的產出，同時，本發明還有一個目的，就是為減少或消除無用流體的產出，提供經濟的、可靠的和具有良好可逆性的方法。
簡而言之，本發明包括幾種減少或消除生產井中無用流體產出的方法。本發明採用的方法是在位於生產層的一個障礙物之下釋放堵塞材料。在一個實施方案中，將一障礙物放置在有用流體生產層段的底界附近。在障礙物的下方釋放堵塞材料。堵塞材料向外流出，形成一道屏障，阻擋了生產層中障礙物周圍無用流體的流動。對大多數實際應用而言，可以採用能飄浮的堵塞材料，以便使不希望發生的交叉流動將其攜帶至所需要的地方，形成一道屏障，以阻擋無用流體的產出。顆粒狀堵塞材料是優選的，因為它無需引發化學反應，因而更加可靠，但樹脂體系或其它具有化學活性的體系也可以使用。本發明可用於礫石充填井，裸眼井，割縫襯管井或下套管的井。本發明亦可使用多個障礙物，而將一種堵塞材料釋放到它們之間，以封閉多個生產無用流體的中間層段。同樣，該發明還可應用於垂直井，斜井或水平井。
現在將參考附圖對本發明進行描述，其中
圖1是一口生產層採用礫石充填完成的油井的剖面圖。油井的礫石填充區有很大一部分已有水侵入；圖2與圖1一樣也是一個剖面圖，井中打入一橋塞，它釋放堵塞材料，形成一個阻擋層，以阻擋水的侵入；圖3是生產層採用礫石充填完成的油井的剖面圖，在篩管的兩個連接點之間打入了橋塞；圖4是一口三個生產層皆採用礫石充填完成的油井的部面圖，井中下入兩個橋塞，以阻擋中間層中的水和非溶解氣侵入頂底和底部兩個生產層；圖5是一口下套管射孔完成井的剖面圖，井中下入橋塞和堵塞材料載體，以形成阻止水侵入的阻擋層。
在實施本發明的方法中，要在位於一口井的生產層中的一個障礙物的下方或一對障礙物的中間釋放堵塞材料，使其形成一個阻擋層，以阻止無用流體侵入有用流體生產層段。這些方法適用於注入井和生產井。這些方法主要根據油氣生產井來描述，這些油氣生產井可以是下套管井和礫石充填井，由於水的侵入，水已經推進到生產層中，因而一段時間以來，這些井產出了大量的水。當然，對於採用或不採用礫石充填完成的井，裸眼井，下套管井，或割縫襯管井，這些方法也都是適用的。通過封閉產水層段，就可以減少，甚或消除水的流動，從而使油井恢復預期產量。
在描述封堵產水層段的方法時，將參考附圖。圖1所示是一口礫石充填井。在礫石充填井中，有一個有用流體(即油，氣等)生產層段10和產水層段13。儘管在圖中把有用流體生產層段與產水層段表示成一個層中各自獨立的層段，但實際上它們的界限並不分明，它們並不是彼此分離的，而是相互融合在一起的。同樣，在一口井中，可能存在不只一個這樣的層。橫穿有用流體生層段和產水層段的，是一個生產層，生產層中下入了套管14，套管14由套管14和井眼12之間的環空中的水泥16固結。該井與層段10和13相鄰的部分，被上封隔器28和下封隔器30與井的其餘部分分隔開來。上封隔器28位於套管14和生產油管18之間，下封隔器位於套管14和射孔油管20(即中心管)之間。射孔油管20上有孔眼22(即炮眼)。環繞於射孔油管20外面的，是一個繞絲篩管24，繞絲篩管24通常由垂直凸緣(未畫出)承託於射孔油管上。油井位於上封隔器28和下封隔器30之間，圍繞射孔油管20和繞絲篩管24的被隔離部分充滿了礫石(即沙子)25。這些礫石不但充填了套管，而且充填了炮眼26，從套管14，經環繞套管的水泥16，一直延伸到層段10和13之內。礫石充填是一種使地層向射孔套管20出液量最大的方法，在出液量最大的同時，又能防止地層砂(即粒度較小的沙子)從層段10和13，或礫石25中進入射孔油管。因此，應選用粒度儘可能大的礫石(即顆粒較粗的沙子)，在保證出液量最大的情況下，又不使地層砂穿過。類似地，繞絲篩管24的篩管圈之間的孔隙也應儘可能的大，以保證最大出液量，但同時礫石25又不至於穿過。
正如圖1所示，水和油是同時產出的。地層下部為含水層，向上直達水位32，而地層上部相對少水。產出流體(即油、氣、水等)的正常流動路線是這樣的首先，以徑向內流方式穿過地層進入套管14中。然後又以徑向內流方式穿過礫石25，繼續以徑向內流方式穿過螺旋狀繞絲篩管24，進入射孔油管20。然後從射孔油管20內部，以線性流動方式進入生產油管18，在生產油管18內繼續以線性流動方式流至地面。圖1中所示是單接頭的礫石充填篩管，但通常多採用多接頭礫石充填篩管(參見圖3和圖4)。
在礫石充填垂直井中，套管14內的下述三個地方可能存在縱向流動(1)在礫石中(即流動路線36)；(2)在射孔油管內(即流動路線37)和(3)螺旋狀繞絲篩管內和射孔油管外之間、沿垂直凸緣的方向(即流動路線38)，但有些礫石充填篩管的設計可消除流動路線38。在螺旋繞絲篩管24內和射孔油管20的外之間，縱向流動路線38在篩管24的每個接頭的兩端34處被鎖定(圖3和圖4)。為了減少或消除產水層段13的出水，首先必須封閉住水位32以下的射孔油管部分。礫石充填井的力學性質使得有選擇地封閉特定層段(例如出水層段)而不損害有用流體生產層段的產能係數是十分困難的。優選的是，採用與生產油管18配合性好的工具(即「過油管」工具)，來完成封閉特定層段所需的全部工作，因而不必起出生產油管18，即可實現對無用流體的封堵。本發明中提出的方法，採用的就是這種過油管工具和技術。
如圖2所示，根據本發明的一個實施方案，在射孔油管20中打入一個過油管橋塞35，將其橫置於射孔油管內靠近水位32處。正如熟悉本專業的普遍技術人員理解的那樣，橋塞35可根據要求定做，以適應特定井的條件，也可採用現有的過油管橋塞中的任一種，例如，Mendez等人的《過油管電纜橋塞系統的現場應用》(OTC6459，海洋技術會議第22屆會議年報，休斯頓，德克薩斯，5/7～10/1990)介紹的橋塞，或美國專利3,314,479(MeCullough等，4/18/1967)公開的橋塞等。可以採用任何一種安裝過油管橋塞的辦法安裝橋塞35，例如常規油管(即帶接頭的管子)法，撓性油管法，電纜法，以及平直管線法等。在射孔油管中打入橋塞35，對於消除射孔油管20內沿流動路徑37的出水現象，是比較有效的，但是，沿流動路徑36和38，水仍然可以自由流動。
在美國專利5,090,478(Summers，2/25/1992)中公開了這麼一種方法在射孔油管中的橋塞上鋪兩層沙，通過射孔油管向沙的頂面打入可固化的液態樹脂，樹脂從這裡向外流動，形成一個樹脂層，該樹脂層從油管延伸至礫石內部，形成一個阻擋層，阻擋了水沿流動路線36和38的流動。然而據信在大數情況下，流體沿流動路徑36和38的流動，使液體樹脂降低礫石中流體流動能力的現象被禁止或受到抑制，特別是在礫石中流體流動能力較高或無用流體生產層段壓力較高的情況下，更是如此。同樣，流體也可以環繞橋塞向井眼內或井眼外流動(亦即通過礫石充填區或地層)。這種井下的流體運動常稱為「交叉流動」。
根據本發明，在橋塞35之下釋放一種堵塞材料。在一個實施方案中，堵塞材料從載體(亦即釋放工具)40上釋放。在射孔油管20中的橋塞35下釋放堵塞材料後，在井內流體的流動(例如交叉流動)將堵塞材料按比例攜帶至所需要的地方。形成一個阻擋層，以阻擋水沿路徑36和38的侵入。這種釋放堵塞材料的釋放方法可通過多種途徑來實現，其中有些途徑將作為例子在此加以描述。載體40不必與橋塞35連在一起。此外，載體40可根據提供堵塞材料的需要做得大一點。在橋塞35之下釋放方法，既可以是一個受時間控制的釋放方法，一個受環境控制的釋放方法，或者在安裝橋塞35的同時釋放堵塞材料的方法。堵塞材料可通過電學的，化學的，或機械的方法，結合橋塞的安裝而同時釋放。
如圖3所示，按照本發明的一個實施方案，在射孔油管20中放置一個過油管橋塞35，並在射孔油管內部篩管24的兩個接頭之間的接頭部分42處，將橋塞橫放。已經發現，在接頭部分42中放置橋塞35，對於減少或消除水的流動是特別有效的，原因是它利用了兩種阻流因素。第一，篩管24的每個接頭的端部34被封閉住，因而阻止了沿流動路線38的流動，其次，水必須流入礫石25中，以繞過橋塞35。礫石中的流體流動能力較低，因而通過礫石的縱向流動就成為一種限制因素，降低了無用流體的產出量。堵塞材料如圖2討論的一樣，可從橋塞35下面的載體40上釋放出去。通過在射孔油管20中，在橋塞35的下方釋放堵塞材料，使井中發生的流體流動(例如交叉流動)將堵塞材料按比例攜帶至所需要的地方，形成一個阻擋層，以阻擋水沿流動路線36的侵入。
圖5說明，本發明也可以在裸眼完井或其它無礫石充填設備的井中使用。在靠近有用流體生產層段10的底界處的套管15中，橫置著橋塞35，如前所述，在橋塞35下方，從載體40上釋放了一種堵塞材料。堵塞材料通過炮眼26可被攜帶至地層中，在套管14外部形成一個阻擋層，通過選擇堵塞材料，可以使所形成的阻擋層阻擋無用流體在套管14和水泥16之間的流動，或阻擋無用流體在水泥16和地層之間的流動，或阻擋上述兩種流動。
圖2-5中圖示出了釋放工具40，但正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，有其它幾種方法和/或工具，無論是現有的，還是客戶自行設計的，根據不同的操作要點，它們都可以用來攜帶和釋放堵塞材料。下面列出的操作要點是需要加以考慮的井的類型；完井方法類型；有用流體類型；無用流體類型；所用的堵塞材料；所用的橋塞；需要封堵的產液層段數等等。這些因素僅僅是作為例證，並不全面。根據操作要點選擇合適的方法和/或釋放工具是在熟悉本專業的普通技術人員的技術範圍內。
在一個實施方案中，載體40可以是一個容積式傾卸筒。這是一種機械裝置，呈圓柱形，盛滿堵塞材料的傾卸筒既可以同橋塞35一塊兒下入井中，也可以先於橋塞35下入井中。將傾卸筒定位在預定深度，向設備的頂部投入一條金屬棒，以觸發該設備。金屬棒向下落入設備內部，衝擊堵塞材料的頂端，產生一個向下運動的衝擊波，衝擊波在傾卸筒中的堵塞材料內傳播，對位於傾卸筒底部的鎖定銷釘產生剪切作用，使一個小活塞向下運動，打開排料口，將堵塞材料釋放出來。在堵塞材料通過排料口釋放的過程中，金屬棒繼續下落並穿過傾卸筒。金屬棒通過其自身的重量向傾卸的堵塞材料有效地施加了壓力。當金屬棒落到傾卸筒的底部時，圓筒形傾卸筒中的堵塞材料就被清掃乾淨了。
也可以採用以類似方式操作的其它類型的容積式傾卸筒。用敞開式傾卸筒來輸送堵塞材料也是可能的，這種敞開式傾卸筒的頂部是敞開的，底部被蓋子封住。當觸發這種傾卸筒時，被金屬銷釘固定的下底蓋受到爆炸剪切或其它方式的剪切作用而被打開，堵塞材料在重力作用下從筒底流出，進入地層。在另一個實施方案中，採用一增壓室，通過釋放壓力(例如二氧化碳鋼瓶)來排出堵塞材料。
此外也可以使用撓性油管(未畫出)在井中預定深度安裝橋塞和釋放堵塞材料。對於在大斜度井或水平井使用的那些方法來說，撓性油管尤其有價值。撓性油管是一根在井口處卷繞在線軸上的管子。安裝或折除撓性油管所用的設備，較之拆除生產油管18所用的設備，不但體積小，重量輕，而且運輸也方便得多。在撓性油管中有時也安裝一屏蔽導電體(「電纜」)，用它來控制對連接在撓性油管端部的工具的操作。對連接在撓性油管端部的工具進行控制的另幾種可選辦法是通過工具與生產油管18之間的磨擦力起作用的張力和壓力，液壓，時間延遲，或上述方式的組合。撓性油管的外徑比生產油管18的內徑要小，以便生產油管仍在地層中時就能使撓性油管展開並下入井中。用撓性油管可以把堵塞材料載體和橋塞35分別下入井中。另一種可選作法是用撓性油管把堵塞材料和橋塞35同時下入井中。還有一種可選作法，就是在橋塞安裝好之後，不用載體，將堵塞材料通過撓性油管泵入井中。再有一種可選作法就是在橋塞安裝好之後。將載體攜帶的堵塞材料通過撓性油管泵入井中。
在向橋塞下方輸送和釋放堵塞材料時，可採用其它新方法和新工具。對載體40的質量的要求是載體是釋放堵塞材料後可收回或「消失」。因此，載體的外徑應等於或小於橋塞的直徑。同樣，在釋放堵塞材料後，載體應保持或恢復原尺寸。另一方面，在一個實施方案中，載體可從橋塞上脫落，留在射孔油管20的底部。載體可以是一個易碎的載體，在用爆炸法安裝橋塞時被炸碎，或受時控爆炸作用而成為碎片。由此可知，堵塞材料既可以在安裝橋塞25的同時被釋放，也可以在橋塞25安裝之後被釋放。易碎載體的碎片可以作為堵塞材料，甚至用來達到堵塞時控釋放法有幾個優點，比如，可以用時間校正對其進行簡單的改制，而且，需要的話，在釋放堵塞材料之前完全可回收載體。在某些情況下，希望在射孔油管中安裝橋塞25之前。將堵塞材料下入並釋放到射孔油管中。
在本發明的另一個實施方案中，可以使用一種可溶性載體。選擇形成載體的材料，使其能在不同的井下條件下發生溶解。這些井下條件包括溫度，壓力，井下流體組成，或這些條件的組合。同樣，載體也可以是可熔或可升華的，這樣，載體可以根據井下條件的不同而發生相變。也可使用化學控制釋放法，在該法中，組成載體的材料可發生內部化學破壞，從而使載體溶解，或使其隨化學反應進程發生相變。溫度控制、化學控制和流體組成控制釋放法的機理都比較簡單，而且與爆炸釋放法相比，一般來說成本更低一些。
無論採用何種方法和/或工具，堵塞材料(未畫出)都是在橋塞35下釋放，並流入射孔油管20中。在圖2～5中未示出堵塞材料的釋放，原因是堵塞材料有許多種，根據井下條件、所用堵塞材料類型和數量等的不同，它們在不同的地方形成不同的阻擋層。例如，可以選擇堵塞材料，以只降低沿流動路線38的流體流動能力，或同時也降低沿流動路線36的流體流動能力。換言之，阻擋層既可以在篩管外邊界處形成，也可以在礫石中形成，以降低與橋塞相鄰的礫石中流體的流動能力，也可在兩處同時形成。在某些情況下，堵塞材料可能會從射孔油管20徑礫石充填區25流入層段10和13中，形成一個阻擋層，以阻擋生產層中無用流體的流動。
正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣按照本發明，可使用的堵塞材料的品種是很多的。在本發明的一個實施方案中，使用了一種惰性顆粒材料。這種顆粒狀材料經過篩分處理，可在礫石中形成一個內濾餅。顆粒狀材料的篩分處理是按Saucier定律進行的。Saucier定律告訴我們，若堵塞材料的粒度比礫石顆粒尺寸的1/7還小，則堵塞材料將在流動流體的攜帶下全部通過礫石，不會在礫石25內受阻而形成顆粒橋塞。若堵塞材料的粒度比礫石顆粒尺寸的1/3還大，則堵塞材料不能進入礫石25內。因此，對堵塞材料的粒度必須進行處理，使其處於這兩個極限之間，才能使其經篩管向外進入礫石層中，並在此堵塞礫石顆粒間的孔隙，形成內濾餅。一些專利公開了某些顆粒狀材料，按照本專利，它們都是可用的，這些專利是美國專利4,444,264(Dill，4/24/1984)，美國專利5,222,558(Mont-gomery等，6/29/1993)，以及美國專利5,228,524(Johnson等，7/20/1993)。列出這些專利僅僅是為了說明(並不完全)根據本發明可以使用的材料類型。如果由於特殊的原因，本發明中的方法需要改變或返工，則惰性材料由於易於從井中清除掉而顯得特別有用。另一種根據本發明可以使用的材料是一種經過化學穩定處理的乳狀液，其內相微滴的尺寸使其可以堵塞礫石顆粒間的孔隙。
在另一個實施方案中，堵塞材料可以是一種化學活性材料，它從射孔油管20中流出，然後根據井下條件發生化學反應，形成一個阻擋層，阻止無用流體的流動。井下條件包括溫度，壓力或井中流體的組成，或上述條件的組合。使用這種堵塞材料，確定引發反應的時間是很重要的。由於無需確定化學反應(例如硬化)的時間，因而使用惰性顆粒材料代替化學活性材料更有好處。但化學活性材料的一個優點是它能更好地封堵無用流體的流動。美國專利4,972,906(Mc-Daniel，11/27/1990)公開了這種材料的一個例子。在McDaniel的專利裡，使用了一種液體環氧樹脂材料和一種硬化劑的混合物，其活化溫度低於井下地層溫度。在到達橋塞頂部之後，這種材料經歷了幾個物理階段。在第一階段。它是一種粘度較低的可流動液體，特別是在高溫下，流動性更好。當環氧樹脂材料的溫度達到硬化劑的活化溫度時，環氧樹脂材料開始反應，粘度升高。最後，環氧樹脂材料充分固化，以致停止流動。若再持續一段時間，則環氧樹脂材料進一步反應、硬化，直至變成固體。美國專利5,090,478(Symmers，2/25/1992)公開了有關這類材料的另一個例子。在Summers的專利裡，這類材料是一種可固化的液體樹脂，例如環氧樹脂，調整其組成。使其在地層條件下在適當短的時間內固化。當然，這些材料僅僅是作為例子來說明的，而且，正如熟悉本專業的普通技術人員理解的那樣，其它許多材料，如酚醛樹脂，呋喃樹脂等，按照本專利都是可以採用的。若井眼要報廢或需要返工，這些環氧類材料可從井中鑽掉，或採用其它已知的技術將其清除掉。
堵塞材料根據條件的不同，可能具有不同的特性。在一個實施方案中，所用堵塞材料具有漂浮能力。這些可漂浮的堵塞材料在水面上漂流。直到流體的流動(如交叉流動)將其攜至礫石中，這裡需要堵塞材料。換言之，當堵塞材料的密度低於井中流體的密度時，則該堵塞材料釋放後將留在橋塞35的底部附近，直至井中的流體流動將堵塞材料攜帶到礫石25中。下列材料漂浮性能很好，或很容易使其具有浮力，符合本專利的要求。它們是多孔玻璃微珠；多孔陶瓷微珠；纖維材料；纖維素；玻璃；天然聚合物(例如，黃原膠，瓜膠等)；合成聚合物(例如，羥乙基纖維素，羥丙基瓜膠，聚丙烯醯胺等)；浮石；硅藻；穩定的聚合物或膨潤土的微乳狀液；紙張等。也可以用另外的組合物對這些材料進行塗敷處理，使其具有所需的性質，如熱穩定性，機械強度，不溶性等，這裡所列的材料僅是作為例證(而且並未全部列出)，證明這類材料符合本發明的使用要求。
在另一個實施方案中，可以使用非漂浮材料或漂浮材料與非漂浮材料的組合作為堵塞材料。對於水平井或多油層井來說，漂浮材料與非漂浮材料的混合物更為有用，如圖4所示。圖4示出了具有多個生產層段的一個井眼使用多個橋塞的情況。層段10和11是有用流體生產層段。層段48和50是夾在生產層段之間的非滲透層(例如頁巖)。層段13以前是一個有用流體生產層段，但由於水的侵入，現在開始產出無用流體。為使層段10和11持續生產有用流體，在射孔油管20中水位32之上安裝了橋塞35，在射孔油管20中靠近產水層段13底界的地方安裝了橋塞44。使用一種諸如旁通管46的裝置，可以持久地保證層段11中有用流體的生產。有許多工具和方法可以用來使層段11繼續生產有用流體，當然不限於旁通管46。
正如參照圖3進行的討論，在篩管24的接頭間下入橋塞35和44，對於減少或消除沿流動路線36和37的流動來說，效果是理想的。為了進一步減少或消除沿流動路線36的運動，並防止層段13中的流體流入與篩管24相應的層段11中，可以從載體40上釋放漂浮材料和非漂浮材料(未畫出)的混合物。漂浮材料的作用方式如前討論過，非漂浮材料(亦即密度大於井眼流體的材料)將下行並流出與橋塞40相鄰的射孔油管20，形成一個阻擋層，以阻擋層段13中的無用流體進入層段11。在另一個實施方案中，載體40可以釋放出一種漂浮材料。距載體40一定距離的另一個載體(未畫出)可釋放出非漂浮材料。在另一實施方案中，載體40可以與橋塞35和44之間有一定間隔。圖4中的載體40是一個圍繞旁通管46的環形設備。正如上面所提到的，僅僅圖示出載體40，堵塞材料的釋放可以採用許多工具和/或方法中的任一種。
在同一個井眼中可以安裝數目不限的橋塞，以便有選擇性地封堵井中生產無用流體的中間層。這種串聯橋塞或多個橋塞的實施方案在許多現場應用中是十分有用的。例如，它可以減少或消除原油生產層之上層段的產氣量，同時減少或消除原油生產層之下層段的產水量；也可以減少或消除位於原油生產層上、下的層段的產氣量；還可以減少或消除位於原油生產層上、下的層段的產水量等等。
以上描述了本發明的原理，優選的實施方案以及操作方式。但不應認為本發明僅僅局限於所討論的幾個具體的實施方案。因此，上述實施方案應被看作是例證性的，而非限制性的，同時還應理解，只要不背離本發明的範圍，熟悉本專業的技術人員可對這些實施方案作各種變種。專利範圍由附後的權利要求書確定。
權利要求
1.一種降低一口井中無用流體產量的方法，該井具有生產層，生產層包括一個無用流體生產層段和一個有用流體生產層段，所述的方法包括在靠近有用流體生產層段底界的生產層中放置障礙物；在所述的障礙物之下釋放堵塞材料，不使用泵從井口向井內泵送該堵塞材料，因此該堵塞材料從該障礙物下向外流動，形成一道阻擋層，以阻擋無用流體生產層段中的無用流體流入所述的有用流體生產層段。
2.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是具有漂浮能力的，因此生產層中無用流體的流動將其攜帶到所需的地方。
3.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是一種漂浮性材料和非漂浮性材料的複合材料，生產層中無用流體的流動將漂浮性堵塞材料攜帶到需要的地方，非漂浮性材料流動到生產層的底部。
4.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是一種非漂浮性堵塞材料，因此所述的堵塞材料流動到生產層的底部。
5.根據權利要求1的方法，其中的含礫石層橫穿生產層，含礫石層中有一個被篩管包圍的射孔油管，篩管被礫石包圍，該方法還包括將所述的障礙物置於射孔油管中，因此當在障礙物下釋放所述的堵塞材料時，所述的堵塞材料向外流入所述的射孔油管中。
6.根據權利要求5的方法，其中所述的障礙物被置於與射孔油管接頭端部相對應的位置上。
7.根據權利要求5的方法，它還包括在射孔油管中距所述的障礙物一定距離處再放置另一個障礙物，因此所述的堵塞材料從所述的射孔油管向外流動，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體流入所述的射孔油管中所述的兩障礙物之間。
8.根據權利要求7的方法，其中所述的堵塞材料是一種漂浮性材料和非漂浮性材料的複合材料，生產層中無用流體的流動將其中的漂浮性材料攜帶至需要的地方，形成一道阻擋層，以阻擋無用流體的流動，而非漂浮性材料形成一道與所述的第二個障礙物相鄰的阻擋層。
9.根據權利要求7的方法，其中所述的障礙物與所述的第二個障礙物之間存在流體交流，以致有用流體從下面所述的第二個障礙物流動到上面的所述的障礙物。
10.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料形成一道阻擋層，以阻擋生產層中套管的後面的無用流體的流動。
11.根據權利要求1中的方法，它還包括在射孔油管中距該障礙物一定距離處放置另一個障礙物，因此所述的堵塞材料從所述的射孔油管向外流動，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體在所述的兩個障礙物之間流動。
12.根據權利要求11的方法，其中所述的堵塞材料是一種漂浮性材料和非漂浮性材料的複合材料，其中的漂浮性材料被生產層中無用流體的流動攜帶到需要的地方，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體的流動，而其中的非漂浮性材料則在所述的第二個障礙物附近形成一個阻擋層。
13.根據權利要求11的方法，其中所述的障礙物與所述的第二個障礙物之間存在流體交流，以致有用流體從下面所述的第二個障礙物流至上面所述的障礙物處。
14.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是一種惰性顆粒材料，該材料經過篩分處理用以堵塞生產層中的孔隙。
15.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是一種化學活性材料，當它與井下條件起作用後，該堵塞材料形成一個阻擋層，以阻擋無用流體的流動。
16.根據權利要求1的方法，其中所述的釋放步驟是一個時間控制的釋放步驟。
17.根據權利要求1的方法，其中所述的釋放步驟是一個環境控制的釋放步驟。
18.根據權利要求1的方法，其中所述的障礙物的安置與堵塞材料的釋放是同時發生的。
19.根據權利要求1的方法，其中所述的障礙物的安置是通過常規油管，撓性油管，一根電纜或一根平直管線等進行的。
20.根據權利要求1的方法，其中所述的堵塞材料是從連接在所述的障礙物上的載體中釋放的。
21.根據權利要求1的方法，它還包括在生產層中所述的障礙物之前要裝堵塞材料載體。
22.一種減少一口井中無用流體的產量的方法，該井有一個生產層，該生產層包含一個無用流體生產層段和一個有用流體生產層段，所述的方法包括在靠近有用流體生產層段底界的生產層中放置一個障礙物；以及在所述的障礙物之下釋放一種漂浮性堵塞材料，所述的漂浮性堵塞材料從該障礙物下向外流動，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體生產層段中的無用流體流入所述有用流體生產層段之中。
23.根據權利要求22的方法，其中所述的堵塞材料還包括非漂浮性材料，非漂浮性材料流動到生產層的底部。
24.根據權利要求22的方法，其中油井中有一橫穿生產層的礫石層，在礫石層中有一根被一篩管包圍的射孔油管，篩管又被礫石包圍，所述的方法還包括將所述的障礙物放置於射孔油管中，因此當所述的漂浮性堵塞材料釋放時，所述的漂浮性堵塞材料向外流入所述的射孔油管中。
25.根據權利要求24的方法，其中所述的障礙物被置於與射孔油管的接頭端部相對應的位置。
26.根據權利要求24的方法，它還包括在距所述的障礙物一定距離處放置另一個障礙物，所述的漂浮性堵塞材料由第二個障礙物處從所述的射孔油管中向外流動，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體流入位於所述的兩障礙物之間的所述的射孔油管中。
27.根據權利要求26的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料還包括非漂浮性堵塞材料，非漂浮性堵塞材料形成一個與所述的第二個障礙物相鄰的阻擋層。
28.根據權利要求26的方法，其中所述的障礙物與所述的第二個障礙物之間存在流體交流，這樣使有用流體由位於下方的所述的第二個障礙物流向位於上方的所述的障礙物。
29.根據權利要求22的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料形成一個阻擋層，以阻擋生產層中一套管後面無用流體的流動。
30.根據權利要求22的方法，它還包括在射孔油管中距所述的障礙物一定距離處放置另一個障礙物，因此所述的漂浮性堵塞材料由所述的射孔油管中向外流出，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體在所述的兩障礙物之間的流動。
31.根據權利要求30的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料還包括非漂浮性堵塞材料，非漂浮性堵塞材料在所述的第二個障礙物附近形成一個阻擋層。
32.根據權利要求30的方法，其中所述的障礙物與所述的第二個障礙物之間存在流體交流，這樣使有用流體從下方所述的第二個障礙物流向上方所述的障礙物處。
33.根據權利要求22的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料是一種惰性顆粒狀材料，所述的材料經過篩分處理，以堵塞生產層的孔隙。
34.根據權利要求22的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料是一種化學活性材料，當受到井下條件作用後，所述的化學活性材料形成一個阻擋無用流體流動的阻擋層。
35.根據權利要求22的方法，其中所述的釋放步驟是一個時間控制釋放步驟。
36.根據權利要求22的方法，其中所述的釋放步驟是一個環境控制釋放步驟。
37.根據權利要求22的方法，其中所述的障礙物的放置與漂浮性堵塞材料的釋放是同時發生的。
38.根據權利要求22的方法，其中所述的障礙物是用普通油管，撓性油管，一根電纜或一根平直管線安裝的。
39.根據權利要求22的方法，其中所述的漂浮性堵塞材料是從連接在所述的障礙物上的一個堵塞材料載體上釋放的。
40.根據權利要求22的方法，它還包括在生產層中所述的障礙物之前安裝一個堵塞材料載體。
41.一種減少一口井中無有流體產量的方法，該井中有一橫穿某一生產層的含礫石層，生產層中有一射孔油管，它被第一個篩管包圍，第一個篩管與第二個篩管之間被一接頭部分分隔開，第三個篩管與第二個篩管間也被一接頭部分分隔開，在生產層中，第一、第二和第三個篩管的周圍被礫石包圍，生產層包括一個無用流體生產層段和至少一個有用流體生產層段，所述的方法包括在射孔油管中相應於第一個篩管和第二個篩管之間的接頭部分的位置放置一個障礙物；以及在射孔油管中相應於第二個篩管和第三個篩管之間的接頭部分的位置放置另一個障礙物。所述的第二障礙物與所述障礙物之間存在流體交流。
42.根據權利要求41的方法，它還包括在所述的障礙物之下釋放一種堵塞材料，所述的堵塞材料從所述的障礙物下向外流出，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體生產層段中的無用流體流入有用流體生產層段。
43.根據權利要求42的方法，其中所述的堵塞材料是一種複合材料，其中的漂浮性材料流入生產層，形成一個阻擋層，以阻擋無用流體的流動，其中的非漂浮性材料在所述的第二個障礙物附近形成一個阻擋層。
全文摘要
本發明涉及減少或消除生產井中無用流體產量的方法，在位於產層中的一個障礙物(35)的下面釋放堵塞材料。障礙物(35)位於有用流體生產層段的底界附近。堵塞材料向外流出，形成一道屏障，以阻止無用流體流入有用流體生產層段。在大多數應用中，多採用一種能漂浮的堵塞材料，使無用流體的交叉流動能將其攜帶至所需要的地方，形成一種阻擋層，以阻止無用流體的產出。本發明可以在礫石充填井，裸眼井或下套管井中使用。本發明也可這樣使用，即在兩層障礙物(28，30)之間釋放一種堵塞材料，以封堵多個生產無用流體的中間層段。在某些情況下，本發明可以只使用一對障礙物(28，30)，而不必在兩層障礙物(28，30)之間釋放堵塞材料。本發明也可在垂直井、斜井或水平井中使用。
文檔編號E21B33/138GK1141661SQ95191781
公開日1997年1月29日 申請日期1995年11月8日 優先權日1994年11月23日
發明者C·D·威赫特, B·G·高特勒裡奧, J·P·奧特威茵 申請人:切夫裡昂美國公司