CN101842550B - 在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法 - Google Patents

Abstract

井内注入平面的开始。一种在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法包括如下步骤：通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管之间的环状空间中，使井筒在地层中扩张；通过该扩张步骤使地层中的压应力增大；以及随后将一流体注入到地层中，从而沿增大的压应力的方向形成包裹体。另一种方法包括如下步骤：通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管之间的环状空间中，使井筒在地层中扩张；减小地层中的沿相对于井筒的切向的应力；以及随后将一流体注入到地层中，从而沿垂直于减小的切向应力的方向形成包裹体。

Description

在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法

技术领域

本发明总体上涉及地下井作业所利用的装备及所执行的操作，并且更特别地，在本文描述的实施例中提供了一种开始在井内注入平面的方法。 

背景技术

为了增加一个或多个井筒与地层或地下区域之间的流体产量或注入量，通常希望能够在地层或地下区域中形成大体平直的包裹体(inclusion)。甚至还希望使这种平直的包裹体能够可靠地沿选定的方向取向，以使包裹体延伸一期望的距离，以及在很多情况下使包裹体维持平直的形态。 

液力压裂包括各种公知的在相对较为硬脆的岩石中形成裂缝的方法。然而，这些方法中的很多方法在实现这种裂缝的精确取向、尺寸控制或平直的形态等方面并不是完全成功的。 

而且，对于在脆性的岩石中形成裂缝的领域所开发出的改进的方法对于未固结的和/或弱粘结的地层的不同的材料特性而言常常不适用。这类地层中的岩石的特性在某种意义上可更准确地称之为“塑性”，并且不能够对形成在这类地层中的平直的包裹体进行定向以及其它的控制。 

由此可见，在地层中形成大体平直的包裹体的领域中需要做出某些改进。这些改进应可同时应用于脆性和塑性岩层。 

发明内容

为了实践本发明的原理，提供了解决本领域中的至少一个问题的方法。在下文中描述的一个示例中，沿期望的方向开始形成注入平面。在下文中描述的另一个示例中，开始形成注入平面的方法便于控制形成在地层中的大体平直的包裹体的方向、尺寸以及几何形状。 

在一个方案中，提供了一种在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法。该方法包括如下步骤：通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒 的套管之间的环状空间中，使井筒在地层中扩张；通过该扩张步骤使地层中的压应力增大；以及随后将一流体注入到地层中，从而沿增大的压应力的方向形成包裹体。 

在另一个方案中，在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法包括如下步骤：通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管之间的环状空间中，使井筒在地层中扩张；减小地层中的沿相对于井筒的切向的应力；以及随后将一流体注入到地层中，从而沿垂直于减小的切向应力的方向形成包裹体。 

在又一个方案中，在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法包括如下步骤：通过将一材料注入到位于地层与安置在加衬于井筒的套管中的套筒之间的环状空间中，使地层中的压应力增大；以及随后将一流体注入到地层中，从而沿增大的压应力的方向形成包裹体。 

本领域一般技术人员在细致地考虑了下文中对本发明的示范性实施例的详细说明及附图之后，将易见本发明的上述的和其它的特征、优点、益处以及目的，其中，在各附图中使用相同的附图标记来表示类似的部件。 

附图说明

图1为体现本发明原理的系统和方法的示意性局部剖视图。 

图2为执行了该方法的初始步骤之后的该系统的沿图1的线2-2剖切并放大的示意性剖视图； 

图3为执行了该方法的附加步骤之后的该系统的示意性剖视图； 

图4为执行了该方法的进一步的步骤之后的该系统的示意性剖视图； 

图5为执行了该方法的更进一步的步骤之后的该系统的示意性剖视图； 

图6为图3中的圆圈“6”所指示的材料的放大视图。 

图7至图9为该系统和方法的第一种替代性构造的示意性局部剖视图；以及 

图10至图12为该系统和方法的第二种替代性构造的示意性剖视图。 

具体实施方式

应理解的是，在此描述的本发明的多个实施例可以在例如倾斜、倒置、 水平、竖直等各种取向方式下运用，以及在各种构造下运用而不会背离本发明的原理。这些实施例仅作为有效地应用本发明的原理的示例来描述，本发明不受这些实施例的任何具体细节所限。 

在下文对本发明的有代表性的实施例的描述中，使用诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向性术语以方便于参阅附图，通常，“上方”、“上部”、“向上”以及类似的术语表示沿井筒朝向地面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”以及类似的术语表示沿井筒远离地面的方向。 

图1中示意性地示出了系统10以及相关的用于在地层12中开始形成一个或多个大体平直的包裹体的方法。系统10和该方法体现了本发明的原理，但应明确理解的是，本发明不局限于下文所描述的系统或方法的任何具体的特征或特性。 

如图1所示，井筒14钻入地层12中并加衬有保护套管16。本文中使用的术语“套管”表示用于井筒的任何形式的防护内衬(例如本领域技术人员公知的、被称为“套管”或“衬里”的内衬)，该套管可由任何材料(例如金属、聚合物或合成材料等)或这些材料的组合制成，并能够以任何的方式(例如通过粘固在适当的位置、扩张等方式)安置，并且可以是连续的或分段的、有连接点或无连接点、以螺纹连接或以其它方式连接等等。 

水泥或另一种密封材料18流入到井筒14与套管16之间的环状空间中。密封材料18用于将套管16密封和固定在井筒14内。优选地，密封材料18是可硬化的材料(例如水泥、环氧树脂等)，密封材料18可流入环状空间20中并可在其中变硬，以封闭该环状空间并将套管16固定在相对于井筒14的适当位置处。然而，也可使用其它类型的材料(例如沿着套管16传送到井筒14内的可膨胀的材料等)，这并不背离本发明的原理。 

当套管16被密封和固定在井筒14中时，贯穿套管和密封材料18形成穿孔22。优选地，使用具有纵向对齐的爆炸装填物(explosive charge)26的射孔器24来形成穿孔22，并且这些穿孔优选地在套管16被密封和固定在井筒14中之后形成。然而，依据本发明的原理，可使用其它的形成穿孔22的方法(例如，使用水力喷射切割工具、线性爆炸装填物、钻孔机、铣刀等)，并且可使用其他不同的顺序来执行该方法中的各步骤(例如在将套管16安 置在井筒14中之前形成穿孔)。 

在图2中有代表性地示出了形成穿孔22之后的系统10的示意性剖视图。在该视图中可看到穿孔22优选地径向延伸为略微超出密封材料18并进入到地层12中。然而，应理解的是，如果在安置套管之前贯穿套管16和/或密封材料18形成穿孔22，则这些穿孔可能根本不会径向延伸到地层12中。 

作为替代，系统10中的穿孔22的重要益处在于，穿孔为套管16的内部与介于密封材料18和地层12之间的界面27之间提供了流体连通。可以采用各种构造和通过各种方法来提供这种流体连通，而并非必须以任何特定的方式、在任何特定的时间采用任何特定的排布或构造等来形成穿孔22。 

现在另外参考图3，该图中有代表性地示出了在将可硬化的材料28注入到地层12与密封材料18之间从而形成了邻近环状空间20径向向外的另一环状空间30之后的系统10。优选地，可硬化的材料28从套管16的内部经由穿孔22流到密封材料18与地层12之间的界面27，但如需要的话，也可使用其它的方法来注入可硬化的材料和形成环状空间30。 

应理解的是，环状空间30的形成导致地层12径向向外地进行了移位，由此围绕井筒14被径向地压缩。具体地，由于环状空间30的径向厚度增大，使围绕井筒14的地层12中沿井筒14的半径的压应力(在图3中以双头箭头32表示)随之增大。 

优选地，将可硬化的材料28在足够大的压力下注入到环状空间30中，以在密封材料18与地层12之间形成环状空间，并由此使围绕井筒14的地层12中的径向压应力32显著地增大。要注意到，井筒14自身随着环状空间30的径向厚度的增大而径向向外扩张。 

可硬化的材料28优选为在流入到环状空间30中之后硬化并变得更刚硬的材料。水泥质的材料、聚合物(例如环氧树脂等)以及其它类型的材料可被用作可硬化的材料28。可硬化的材料28可以是水泥、树脂覆膜砂(resincoated sand)或支撑剂、或者环氧树脂覆膜砂或支撑剂(诸如可从德克萨斯州的休斯顿市的Halliburton能源服务集团购得的EXPEDITE(商标)支撑剂)。当材料28硬化并变得更刚硬时，材料28由此能够径向向外地支撑扩大的井筒14以维持地层12中的增大的压应力32。 

如果上述井是现有的生产井/自喷井，则可能具有先前用于使流体在地层 12与套管16的内部之间流动的、预先存在的穿孔。在这种情况中，在形成穿孔22之前将密封材料挤入预先存在的穿孔中可能是有利的。 

在这种方式下，能够根据需要来设定穿孔22的构造、取向、相位(phase)等，以便于随后经由穿孔22注入可硬化的材料28。例如，可将密封材料注入到预先存在的穿孔，以封闭这些穿孔，随后再形成穿孔22，以允许将可硬化的材料28注入到环状空间30中。 

另一种替代性的方式是将这些预先存在的穿孔用作穿孔22。即，可硬化的材料28可经由这些预先存在的穿孔(这些穿孔从而将用作图1至图3中所示的穿孔22)注入到环状空间30中，从而省略了该方法中的至少一个穿孔步骤。 

现在另外参考图4，该图中有代表性地示出了在套管16的内部与围绕井筒14的地层12之间形成了附加的穿孔34之后的系统10。穿孔34延伸穿过套管16、环状空间20以及环状空间30，以在套管的内部与地层12之间提供流体连通。 

可使用任何上述的用于形成穿孔22的方法来形成穿孔34(例如，射孔器、水力喷射切割工具、钻孔机、线性爆炸装填物等)。如需要的话，也可使用其它的方法。如果使用射孔器24，则这些爆炸装填物26优选为如图1所示在射孔器中纵向对齐。 

如图4所示，具有两组穿孔34，并且这两组穿孔被取向为相对于彼此成180度。然而，穿孔34可为任何数目的组(包括仅一组穿孔)，每组中可具有任何数目的穿孔，并且这些组穿孔可被取向为相对于彼此成任何角度。 

仅形成一组穿孔34可能是有利的(例如使用所谓的“零相位”射孔器)。然而，发明人认为，在现有的天然气井中，形成四组穿孔34(即，以90度相位)，并随后在地层12中形成垂直取向的平直的包裹体(即，在两个正交的平面中形成四个包裹体)是优选的。 

应理解的是，在形成穿孔34之后，直到穿孔的顶端46，地层12中的与井筒14相切的应力33被减缓。由于这些组穿孔34沿井筒14纵向地对齐，因此在与每组穿孔对应的地层12中构成纵向延伸的、切向应力减小的区域。这种应力状态对于在地层12中定向和开始形成平直的包裹体而言是理想的，这是因为这些包裹体将趋向于形成为与每组穿孔34上的减小的切向应力33 垂直的平面。 

现在另外参考图5，该图中有代表性地示出了在地层12中形成从穿孔34径向向外延伸的大体平直的包裹体36之后的系统10。优选地，通过将流体40从套管16内部经由穿孔34注入到地层12中来形成平直的包裹体36。 

地层12中的增大的径向压应力32有助于控制包裹体36的形成方向，因为已知地层岩石通常部分地处于与最小主应力方向垂直的方向上。通过沿相对于井筒14的径向方向有意地增大应力32，围绕井筒的地层12中的最小主应力方向与井筒相切，因此地层将至少在最初时沿径向方向扩大。 

这些包裹体36可同时形成，或者单独地形成(一次形成一个)，或者这些包裹体可以任何顺序或组合方式形成。依据本发明的原理，可形成任何数目、任何取向及组合方式的包裹体。如上文所述，一种替代性的方式是沿两个正交的平面(例如，利用四组穿孔34)形成四个包裹体36，这种构造的使用在现有的天然气井中可能是尤其优选的。在这种情况中，经由所有四组穿孔34同时注入流体40以便同时形成四个包裹体36的方式可能同样是优选的。 

地层12可包括相对较为硬脆的岩石，但是该系统10和方法特别有利于应用在由疏松的或弱粘结的沉积物所构成的塑性地层中，在这种地层中，通常在包裹体形成时很难控制包裹体的形成方向或几何形状。 

由于弱粘结的沉积物的内聚强度很小，因此所述弱粘结的沉积物是主要的摩擦材料。不具有固有的内聚强度的未粘结砂(即，未将砂粒粘结保持在一起)在其结构内不能够包含稳定裂纹并且不会经历脆性压裂。这种材料被归类为在剪应力作用下破坏(fail)的摩擦材料，而脆性的聚合材料(例如，坚固的岩石)在正应力作用破坏。 

术语“内聚”在本领域中用于说明材料在有效平均应力为零的情况下的强度。由于细小颗粒的沉积物中的毛细吸引力所产生的吸入压力或负孔隙压力的作用，并且沉积物仅部分被浸透，弱粘结材料可能表现出一定的外表上的内聚性。这类吸入压力在较低的有效应力下将颗粒保持在一起，因此通常被称作表观粘力(apparent cohesion)。 

由于沉积物的完全浸透会使吸入压力消失，因此吸入压力并没有将沉积物的颗粒真正结合在一起。表观粘力通常是非常小的强度分量，因此对于坚 固的岩石而言其不能够被有效地度量出，而仅在测量极弱粘结的沉积物时才变得显著。 

地质结构坚固的材料，例如相对坚固的岩石，在正常的油藏深度处表现为脆性材料的特性，但在很深的深度处(即，在非常高的侧限应力下)或者在急剧升高的温度下，这些岩石可表现出类似塑性摩擦材料的特性。未固结的砂和弱粘结地层从很浅的深度到很深的深度处均表现为塑性摩擦材料的特性，并且这类材料的性质本质上不同于表现为脆性破裂特性的岩石。塑性摩擦材料在剪应力作用下破坏，并因摩擦性滑动、旋转及移位而消耗能量。 

在油藏上广泛地实施传统的弱粘结沉积物的液压扩张以作为防砂(sandcontrol)的手段。该过程通常被称为“压裂充填”。在典型的操作中，为了形成所期望的裂缝的两翼结构，在欲被压裂的期间，在整个地层区间上对套管穿孔，并将支撑剂未负载的低凝胶处理流体注入到地层中。随后，处理流体中的支撑剂的负载大幅增长，以产生裂缝的端部脱砂(tip screen-out)。在这种方式下，裂缝顶端不再延伸，并且裂缝和穿孔由支撑剂回填。 

该过程假定像传统的脆性液力压裂那样形成了两翼结构。然而，这一过程未在实验室或浅地域试验中重现。在实验室实验和浅地域试验中观察到的是注入的流体的混乱的几何形态，在很多情形下显示出井周围的处理流体的空腔扩张(cavity expansion)的伸展、以及主体地层的变形或压紧。 

由于沉积物的颗粒之间的、显著的摩擦特性以及很弱的粘结力，弱粘结沉积物在生产中表现出类似塑性摩擦材料的特性。这类材料不会“破裂”，因此，与硬脆岩石的传统的液力压裂相比，在这些材料中不具有固有的压裂过程。 

线性弹性破裂技术通常不适用于弱粘结沉积物的特性。使粘性的平直的包裹体扩展到弱粘结沉积物中的知识基础主要来自最近十年期间的经验，并且，关于粘性流体在这些沉积物中扩展的过程，在很大程度上仍是未知的。 

然而，本发明提供了使得岩土力学的液力压裂领域中的技术人员能够实施开始和控制粘性流体在弱粘结沉积物中的扩展的方法和系统10的信息。粘性流体在这些沉积物中的扩展过程包括：减小扩展的粘性流体40的顶端38附近的地层的应力，促使地层12扩张，由此产生朝向这一扩张区域的孔隙压力梯度。由于位于前进的粘性流体40的顶端38处的地层12扩张，该 顶端处的孔隙压力随之锐减，导致围绕该顶端的孔隙压力梯度增大。 

包裹体36顶端38处的孔隙压力梯度致使该顶端附近的地层12迅速液化、空腔化(去气)或流化。也就是说，由于地层的强度、构造以及原地应力已被流化过程减弱，因此围绕顶端38的扩张区域中的地层12表现出类似流体的特性，并且地层中的这种流化区域直接处于粘性流体40的前方，扩展的顶端38是对粘性流体进一步扩展的阻力最小的平直的路径。系统10和相关的方法至少以这种方式提供了对前进的包裹体36的方向和几何形状的控制。 

优选地，将粘性流体40的表现特性控制为确保扩展的粘性流体不会越过流化区域并导致扩展过程失控。因此，应控制流体40的粘度和注入流体的体积流量，以确保在包裹体36穿过地层12扩展的同时，使上文所述的状态能够维持。 

例如，流体40的粘度优选为大于约100厘泊。然而，如果在系统10和该方法中使用泡沫流体40，则在仍保持对包裹体36的方向和几何形状的控制的同时可允许采用更大范围的粘度和注入流量。 

系统10和相关的方法适用于弱粘结沉积物的地层，与所关注的地层深度处具有的竖直的上覆岩层应力相比，这种弱粘结沉积物具有低的内聚强度。这里，低的内聚强度被定义为不大于400磅/平方英寸(psi)外加扩展的一深度处的平均有效应力(p’)的0.4倍的和。 

c＜400psi+0.4p’                            (1) 

其中c为粘结强度，p’为地层12中的平均有效应力。 

这种弱粘结沉积物的实例是砂和砂岩地层、泥岩、页岩以及粉砂岩，这些材料的固有粘结强度都很低。临界状态土壤力学有助于确定材料何时表现为能够脆性破裂的粘性材料的特性、或者材料何时主要表现为类似塑性摩擦材料的特性。 

弱粘结沉积物的特征还在于：由于缺少颗粒之间的内聚结合，所以在很低的有效平均应力下具有柔软的骨架结构。另一方面，在因平均应力增大而增加的负载的作用下，坚固且刚硬的岩石的体积不会显著减小。 

在多孔弹性技术领域中，斯凯普顿(Skempton)B参数是与沉积物的孔内包含的流体相比的、沉积物所特有硬度的量度指标。斯凯普顿B参数是平 均应力在未排水的状态下增高时，材料中的孔隙压力升高的量度指标。 

在刚硬的岩石中，岩石骨架可承受的平均应力增大，因此，孔隙压力不会升高，也就是对应于斯凯普顿B参数值为0或约为0的情况。但是，在松软的土壤中，土壤骨架容易在增大的平均应力的作用下变形，因而，在未排水的条件下，由孔隙流体承受的平均应力增大(对应于斯凯普顿B参数为1或约为1的情况)。 

下面的公式示出了这些参数之间的关系： 

Δu＝BΔp               (2) 

B＝(K_u-K)/(αK_u)        (3) 

α＝1-(K/K_s)            (4) 

其中Δu为孔隙压力的增量，B为斯凯普顿B参数，p为平均应力的增量，K_u为未排水的地层体积弹性模量，K为排水的地层体积弹性模量，α为Biot-Willis多孔弹性参数，K_s为地层颗粒的体积弹性模量。在系统10和相关的方法中，地层12的体积弹性模量K优选地小于约750,000psi。 

对于在弱粘结沉积物中使用系统10和方法，斯凯普顿B参数优选为如下： 

B＞0.95exp(-0.04p’)+0.008p’             (5) 

系统10和相关的方法适用于弱粘结沉积物的地层(例如，气密砂岩、泥岩以及页岩)，在这类地层中，需要大范围延伸的、被支撑的竖直可渗透的排放平面贯穿薄的砂质透镜体(sand lenses)，并为来自地层的更大量的气体产物提供排放路径。在包含重油(粘度＞100厘泊)、或包含通常称作油砂的沥青(粘度极高，其粘度＞100,000厘泊)的弱粘结地层中，被支撑的竖直可渗透的排放平面为来自这些地层的冷采产物提供了排放路径，并允许蒸汽、溶剂、油以及热进入，以提高石油烃的流动性，并由此有助于从地层中提取烃产品。在高渗透性的低粘性砂的地层中，横向长度较大的可渗透排放平面使得油藏中的压力(液面)下降得更低，由此减小了朝向井筒作用的流体梯度，导致地层中的细粒的拖延减少，使得流入井筒中的地层细粒减少。 

尽管本发明考虑的是可渗透的排放路径的地层，这些排放路径大体上侧向地远离穿透地表地层(earth formation)12的竖直或近似竖直的井筒16延伸，并大体上处于与井筒反方向的垂直的平面中，但是本领域的技术人员应 当认识到的是本发明可在地表地层中实施，在该地表地层中，可渗透的排放路径和井筒可沿除竖直方向以外的方向(例如倾斜或水平方向)延伸。而且，平直的包裹体36并非一定要用于排放，因为在某些情况中可能希望利用平直的包裹体来将流体注入到地层12中，用以在地层12中形成不可渗透的屏障等。 

现在另外参考图6，该图中有代表性地示出了被注入到如图3所示的环状空间30中的可硬化的材料28的放大的剖视图。在该视图中可看到，材料28可包括用于增强地层12中的径向压应力32的效果的多种材料的混合或组合。 

具体地，图6的可硬化的材料28在其全部可硬化的材料基质44中包括可膨胀的材料42的颗粒或细粒(granule)。可膨胀的材料42可以是在被特定的流体接触时膨胀(体积增大)的类型。 

公知地，可膨胀的材料在存在油、水或气体的情况下膨胀。在美国第3385367和7059415号专利中、以及公开号为2004-0020662的美国公开申请中描述了一些适合的可膨胀的材料，这些专利和专利申请的全部公开内容通过援引而结合在本文中。 

可膨胀的材料可具有相当大的由空腔构成的部分，这些部分在地面条件下是收缩或塌陷的。随后，当材料被放置在处于较高压力的井中时，由于这些空腔充满流体而使材料膨胀。 

在需要气体(而非油或水)存在的情况下使材料膨胀时，可使用这种类型的设备和方法。在国际申请号为PCT/NO2005/000170(国际公开号为WO2005/116394)的国际申请中描述了一种适合的可膨胀的材料，该国际申请的全部公开内容通过援引而结合在本文中。 

在系统10和相关的方法中可使用任何类型的可膨胀的材料、任何用于触发可膨胀材料的膨胀的流体、以及任何使可膨胀的材料膨胀的方法。 

优选地，材料42在被注入到环状空间30中之后膨胀，但是该材料也可在注入操作之前和注入期间膨胀。材料42在环状空间30中的这种膨胀通过促使井筒径向向外扩张而起到增大围绕井筒14的地层12中的径向压应力32的作用。 

优选地，在材料42完全地(或者至少基本上完全地)膨胀到其最大程 度之后，基质44变得基本上为刚性。在这种方式下，环状空间30中的材料42所产生的体积增长被“俘获”在该环状空间内，以便在执行该方法中的后续步骤时维持地层12中的增大的压应力32。 

上述的系统10和相关的方法可用于新井的或现有的井。例如，现有的井可具有已安置在井筒14中的套管16和密封材料18。当需要时，可形成穿孔22来注入可硬化的材料28，并且随后可形成穿孔34来注入流体40并使包裹体36扩展。 

现在另外参考图7至图9，这些图中有代表性地示出了系统10和方法的替代性的构造。这种替代性的构造尤其适用于现有的井，但如需要的话也可用于新井。 

如图7所示，形成贯穿套管、密封材料并进入到地层12中的径向扩大的空腔50来代替将套管16和密封材料18穿孔。可通过扩孔或任何其它合适的方法来形成空腔50。 

随后，将套筒52横跨空腔50设置在套管16中。在套筒52每一端上的密封件54(例如，杯形填密件、金属膨胀而成的金属密封件等)提供了压力隔离。 

随后，将可硬化的材料28注入到套筒52外部的空腔50中。为此目的，套筒52可配设有端口、阀等，以允许材料28从套管16的内部流入空腔50中，并随后在该材料变硬和/或膨胀(如上文所述)时将该材料保持于空腔中。在这种方式下，将增大的径向压应力32传递到围绕空腔50的地层12。 

在图8中，示出了形成贯穿套筒52及环状空间30并进入地层12中的穿孔34之后的系统10和方法。要注意到在该替代性的构造中，由于环状空间30并不位于环状空间20的外部(如同上文所述的图4的构造)，所以穿孔34并不延伸穿过环状空间20中的密封材料18。可使用上文所述的射孔器24或其它任何方法(例如，水力喷射切割、钻孔、线性爆炸装填物等)来形成穿孔34。 

在图9中，示出了当流体经由穿孔34被泵出并注入到地层12中从而使包裹体36扩展到地层中时的系统10和方法。这一步骤与上文中与图5的构造相关的描述基本上相同。 

现在另外参考图10至图12，这些图中有代表性地示出了系统10和相关 的方法的另一种替代性的构造。这种构造在很多方面与图7至图9的构造类同，类同之处在于形成了贯穿套管16和密封材料18的径向扩大的空腔50。 

然而，图10至图12的构造使用特别构建的可膨胀的套筒组件56来代替穿孔34开始形成包裹体36。图10中示出了套筒组件56的剖视图。在该视图中可看到，在这一构造中套筒52在裂口58处分裂开，并且在该裂口的每一侧上径向向外延伸有延伸部60。 

依据本发明的原理，可使用其它的套筒52和延伸部60的构造。在美国第6991037、6792720、6216783、6330914、6443227、6543538号专利中、以及2006年12月14日提交的申请号为11/610819的美国专利申请中描述了一些合适的构造。这些专利和专利申请的全部公开内容通过援引而结合在本文中。 

可使用弓形弹簧型偏心器62将延伸部60偏置到空腔50中。在图11中，示出了在形成空腔50之后安置在套管16中的套筒组件56。要注意到偏心器62的作用是将延伸部60向外移位到空腔50中。 

随后，如上文所述地将可硬化的材料28注入到空腔50中。由此，增大的径向压应力32被传递到地层12。 

在图12中，示出了在流体40经由延伸部60之间的裂口58被泵出并注入到地层12中从而朝向地层径向向外地扩展出包裹体36时的系统10。如上文所结合的专利和专利申请中所述，套筒52可在泵入流体40之前和/或期间径向向外扩张，以便扩大裂口58和/或进一步增大地层12中的径向压应力32。 

需注意到，在图10至图12的构造中，不需要利用穿孔34来使包裹体36开始扩展。作为替代，带有径向向外延伸的延伸部60的可扩张的套筒52提供了一种在泵入流体40之前和/或期间去除地层12中的切向应力33来使包裹体36开始形成的手段。此外，尽管图12中仅示出了一个包裹体36，但依据本发明的原理，可向地层12中扩展任意数量的包裹体。 

系统10和相关的方法可用于建造气井、油井或重油井、用于周期性蒸汽注入、用于注水井、水源井、处理井(disposal well)、煤层气井(coal bedmethane well)、地热井或者任何其它类型的井。井可以是在执行上述的方法之前已存在的井(例如，用于产烃操作，包括在井筒与地层之间产出和/或注 入流体)。 

该方法可在一口井中多次执行、以及在该井中的不同的位置处执行。例如，可沿着井筒14在一个位置处形成第一组(一个或多个)包裹体36，随后可沿着井筒在另一个位置处形成另一组(一个或多个)包裹体等。对于图7至图12的构造，可能有利的是，首先在井筒14的最下部位置处形成包裹体36，随后在逐渐变浅的位置处形成任何其他的包裹体。 

现在可全面地理解的是，上文详细的描述提供的系统10和相关的方法用于在地层12中形成至少一个大体平直的包裹体36。该方法可包括如下步骤：通过将材料28注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管16之间的环状空间30中，使井筒14在地层12中扩张；通过该扩张步骤使地层12中的压应力32增大；随后将流体40注入到地层12中，从而沿增大的压应力32的方向形成包裹体36。 

增大的压应力32的方向可以是相对于井筒14的径向方向。该方法可进一步包括减小地层12中的沿相对于井筒14的切向的应力33的步骤。该减小应力的步骤可包括形成至少一个延伸到地层12中的穿孔34。 

该扩张步骤中的材料28可以是可硬化的材料。在可硬化的材料28中可包括可膨胀的材料42。 

该扩张步骤中的环状空间30可位于井筒14与围绕套管16的密封材料18之间。 

地层12可包括弱粘结沉积物。地层12可具有小于约750,000psi的体积弹性模量。 

流体注入步骤可包括减小包裹体36的顶端38处的地层12中的孔隙压力。流体注入步骤可包括增大包裹体36的顶端38处的地层12中的孔隙压力梯度。流体注入步骤可包括使包裹体36顶端38处的地层12流化。 

流体注入步骤中的流体40的粘度可大于约100厘泊。 

地层12的粘结强度可以为小于400磅/平方英寸外加该地层在包裹体36的一深度处的平均有效应力(p’)的0.4倍。地层12可具有大于0.95exp(-0.04p’)+0.008p’的斯凯普顿B参数，其中p’为包裹体36的一深度处的平均有效应力。 

流体注入步骤可包括在地层12中同时形成多个包裹体36。流体注入步 骤可包括在地层12中形成与正交的平面大致对齐的四个包裹体36。 

井筒可用于从地层12产出和注入到地层12的两种作业中的至少一种，以在扩张步骤之前进行产烃操作。例如，在使用上述的系统10和方法之前，该井可以是已有的天然气井，或者可以在加强的回收作业中产烃或注入流体。 

前文的详细说明还提供了一种在地层12中形成至少一个大体平直的包裹体36的方法，该方法包括如下步骤：通过将材料28注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管16之间的环状空间30中，使井筒14在地层中扩张；减小地层12中的沿相对于井筒14的切向的应力33；以及随后将流体40注入到地层12中，由此沿垂直于减小的切向应力33的方向形成包裹体36。 

前文的详细说明进一步提供了一种在地层12中形成至少一个大体平直的包裹体36的方法，该方法包括如下步骤：通过将材料28注入到位于地层与安置在加衬于井筒14的套管16中的套筒52之间的环状空间30中，使地层12中的压应力32增大；以及随后将流体40注入到地层12中，由此沿增大的压应力32的方向形成包裹体36。 

无庸置疑，本领域技术人员在仔细地考量以上对本发明的有代表性的实施例的说明之后，将容易理解到的是，可对这些具体实施例进行各种修改、添加、替换、删除以及其它的改变，并且这些变化均包含于本发明的原理的范围内。因此，前文的详细描述仅是通过说明和例举的方式给出以便于清楚地理解，本发明的原理和范围则仅由随附的权利要求及其等同内容所限定。 

Claims (48)

1.一种在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法，该方法包括如下步骤：

通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管之间的环状空间中，使所述井筒在所述地层中扩张；

通过上述扩张步骤使所述地层中的压应力增大；以及

随后将一流体注入到所述地层中，由此沿增大的所述压应力的方向形成所述包裹体。

2.如权利要求1所述的方法，其中增大的所述压应力的方向为相对于所述井筒的径向方向。

3.如权利要求1所述的方法，还包括减小所述地层中的沿相对于所述井筒的切向的应力的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中上述减小应力的步骤还包括形成至少一个延伸到所述地层中的穿孔。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述扩张步骤中的所述材料包括可硬化的材料。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述扩张步骤中的所述材料包括可膨胀的材料。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述扩张步骤中的所述环状空间位于所述井筒与围绕所述套管的密封材料之间。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述地层包括弱粘结沉积物。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述地层具有小于约750,000psi的体积弹性模量。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括减小所述包裹体的顶端处的地层中的孔隙压力。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括增大所述包裹体的顶端处的地层中的孔隙压力梯度。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括使所述包裹体顶端处的地层流化。 

13.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤中的流体的粘度大于约100厘泊。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述地层的粘结强度小于400磅/平方英寸加所述地层在所述包裹体的深度处的平均有效应力的0.4倍。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述地层具有大于0.95exp(-0.04p’)+0.008p’的斯凯普顿B参数，其中p’为所述包裹体的深度处的平均有效应力。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括在所述地层中同时形成多个包裹体。

17.如权利要求1所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括在所述地层中形成与正交的平面大致对齐的四个包裹体。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述井筒用于执行从所述地层产出和注入到所述地层中的至少一种作业，以在扩张步骤之前进行产烃操作。

19.一种在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法，该方法包括如下步骤：

通过将一材料注入到位于井筒与加衬于该井筒的套管之间的环状空间中，使所述井筒在所述地层中扩张；

减小所述地层中的沿相对于所述井筒的切向的应力；以及

随后将流体注入到所述地层中，由此沿垂直于减小的所述切向应力的方向形成所述包裹体。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述减小应力步骤还包括形成至少一个延伸到所述地层中的穿孔。

21.如权利要求19所述的方法，还包括通过上述扩张步骤使所述地层中的压应力增大的步骤。

22.如权利要求21所述的方法，所述增大的压应力的方向为相对于所述井筒的径向方向。

23.如权利要求19所述的方法，其中所述扩张步骤中的所述材料包括可硬化的材料。

24.如权利要求19所述的方法，其中所述扩张步骤中的所述材料包括可膨胀的材料。 

25.如权利要求19所述的方法，其中所述扩张步骤中的环状空间位于所述井筒与围绕所述套管的密封材料之间。

26.如权利要求19所述的方法，其中所述地层包括弱粘结沉积物。

27.如权利要求19所述的方法，其中所述地层具有小于约750,000psi的排水的体积弹性模量。

28.如权利要求19所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括减小所述包裹体顶端处的地层中的孔隙压力。

29.如权利要求19所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括增大所述包裹体顶端处的地层中的孔隙压力梯度。

30.如权利要求19所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括使所述包裹体顶端处的地层流化。

31.如权利要求19所述的方法，其中所述流体注入步骤中的流体的粘度大于约100厘泊。

32.如权利要求19所述的方法，其中所述地层的粘结强度小于400磅/平方英寸加所述地层在所述包裹体的深度处的平均有效应力的0.4倍。

33.如权利要求19所述的方法，其中所述地层具有大于0.95exp(-0.04p’)+0.008p’的斯凯普顿B参数，其中p’为所述包裹体的深度处的平均有效应力。

34.如权利要求19所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括在所述地层中同时形成多个包裹体。

35.一种在地层中形成至少一个大体平直的包裹体的方法，该方法包括如下步骤：

将一套筒安置在已有的加衬于一井筒的套管内；

通过将一材料注入到位于所述地层与所述套筒之间的环状空间中，使所述地层中的压应力增大；以及

随后将流体注入到所述地层中，由此沿增大的所述压应力的方向形成所述包裹体。

36.如权利要求35所述的方法，其中增大的所述压应力的方向为相对于所述井筒的径向方向。

37.如权利要求35所述的方法，还包括减小所述地层中的沿相对于所 述井筒的切向方向的应力。

38.如权利要求35所述的方法，其中所述材料包括可硬化的材料。

39.如权利要求35所述的方法，其中所述材料包括可膨胀的材料。

40.如权利要求35所述的方法，其中所述地层包括弱粘结沉积物。

41.如权利要求35所述的方法，其中所述地层具有小于约750,000psi的体积弹性模量。

42.如权利要求35所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括减小所述包裹体的顶端处的地层中的孔隙压力。

43.如权利要求35所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括增大所述包裹体的顶端处的地层中的孔隙压力梯度。

44.如权利要求35所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括使所述包裹体的顶端处的地层流化。

45.如权利要求35所述的方法，其中所述流体注入步骤中的流体的粘度大于约100厘泊。

46.如权利要求35所述的方法，其中所述地层的粘结强度小于400磅/平方英寸加所述地层在所述包裹体的深度处的平均有效应力的0.4倍。

47.如权利要求35所述的方法，其中所述地层具有大于0.95exp(-0.04p’)+0.008p’的斯凯普顿B参数，其中p’为所述包裹体的深度处的平均有效应力。

48.如权利要求35所述的方法，其中所述流体注入步骤还包括在所述地层中同时形成多个包裹体。 

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