CN1425847A - 对地下井结构层进行酸激励的方法和设备 - 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。其中将地下井结构层进行酸化从而通过下列步骤激励碳氢化合物的生产，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，将一流体直接泵入环形物中，将一流体泵送通过这些喷嘴进入环形物中，控制其中一个流体的压力，使该流体加注该环形物而不流入结构层中，控制另一液体的压力，使它从环形物穿过进入结构层中，然后提高该一个流体的压力，使其与另一流体混合，并在混合物流向结构层之前产生泡沫，至少其中一个流体包括用于激励结构层的酸。
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，更特别地，涉及在井结构层中使用泡沫转移的方法和设备。
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。
还使用了挤压方法，包括以一高于结构层压力的压力(但没有断裂方法中流体压力那样高)将含有酸的激励流体引入结构层中，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。
在这些方法中，经常使用泡沫分散，根据该方法形成泡沫并用于堵塞结构层中的孔隙，从而促进流体在结构层上相对较大的面积上扩展。为此，在地面设置了常规的发泡设备，产生泡沫，然后泵入井下。但泡沫具有大得多的摩擦系数，并降低了静水效果，这两点都严重地提高了用于处理钻井的压力。另外，使用常规工艺，在地面产生的泡沫通过与其它流体相同的管路输送。因此，如果需要泡沫，在前面使用的全部液体都从钻井中清除出来之前不能将泡沫引入结构层中。进入泡沫发生器中的气体可以改变，但在全部前面输送的泡沫清洗钻井之前该改变不会发生。这当然是非常耗时的。
发明内容
我们现在提出一种改进的方法和设备，用于激励钻井，从而减缓或克服上述问题。
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，将一流体直接泵入环形物中，将一流体泵送通过这些喷嘴进入环形物中，控制其中一个流体的压力，使该流体加注该环形物而不流入结构层中，控制另一液体的压力，使它从环形物穿过进入结构层中，然后提高该一个流体的压力，使其与另一流体混合，并在混合物流向结构层之前产生泡沫，至少其中一个流体包括用于激励结构层的酸。
另一方面，本发明提供用于激励井下结构层的设备，该设备包括多个喷嘴，该多个喷嘴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；一将液体直接泵入该环形物中的泵；一将流体泵送通过这些喷嘴进入环形物中的泵；用于控制其中一个流体的压力，使该流体加注该环形物而不流入结构层中的装置；用于控制另一液体的压力，使其从环形物穿过进入结构层中的装置；以及用于提高该一个流体的压力，使其与另一流体混合，并在混合物流向结构层之前产生泡沫的装置；至少其中一个流体包括用于激励结构层的酸。
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系统的剖视图。
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系统的一可替换实施例。
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中实施例的断裂系统。
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系统，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。该激励系统包括一工作管柱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可定位在刚好高于套管14的下端，或者可以延伸超过套管14的端部或在其下面。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同样以将描述的方式与喷射接头20的另一端联接。工作管柱16位于地面的端部用于接收下面将详细描述的激励流体，如氮气或二氧化碳。
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。由于将描述的原因，从地面将几种不同类型的流体泵入环形物28中。
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。当将气体泵压穿过工作管柱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的激励流体进入壳体30，穿过通道32，并从孔22排出，激励流体排放模式是绕壳体30延伸的盘的形式。
如果气体引入工作管柱16中，并在将描述的条件下以一相对较高的压力通过孔22排出，则实现了喷射效果。这产生了相对较高的排放压差，将环形物28中的激励流体加速到一相对较高的速度。从而在喷射气体与环形物28中的流体之间发生相对较高的剪切。由于将解释的原因，该高剪切在现场产生了高质量泡沫。
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中一端为内螺纹，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，密封件等，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，穿过流道42，并座靠在流道42与44之间的台肩上。将一气体，如氮气或二氧化碳向下泵压到工作管柱16中，从而在接头20和26中建立起流体压力。气体的泵压持续进行，直到其停止时系统完全注满。
然后在结构层孔隙的压力与裂缝压力之间的压力下将一预冲洗的流体向下泵入环形物28中。该预冲洗流体从钻井10中去除碳酸岩和/或扫除有害矿物质，否则当在后面步骤中接触氢氟酸时，这些有害矿物质会产生沉淀物。预冲洗流体可以是非酸性、酸性或二者都有。
然后在孔隙压力与裂缝压力之间的水库12处的压力下将激励流体向下泵入环形物28中。激励流体可以是用于挤压或矩阵酸化的常规酸，加上本领域公知的各种填加剂。典型的流体包括矿物或有机酸，如盐酸，氢氟酸，甲酸，乙酸，或它们的混合物。激励流体与结构层以常规方式反应，产生断裂和挤压。
然后将一后冲洗流体向下泵入环形物28中，将氢氟酸扫出钻井。由于将描述的原因，该后冲洗流体一般为非酸性，并可包含发泡剂。注意，如上所述，在上述过程中，一些气体可能靠近或在其端部存在于工作管柱16中，一些气体可能由于系统加注而已经泄漏到环形物28中。该气体有一定浓度或压力，以防止上述流体上升到工作管柱16中，但并没有高到当在喷射接头20中的孔22处与流体混合时足以产生粘性泡沫。
在对后冲洗流体进行一预定泵压后，起动一分散步骤，确保流体在结构层上相对较大的面积上扩展。为此，如上所述，气体进入工作管柱16和穿过孔22的泵压速度以一高于系统初始加注的速度开始。采取下列步骤之一来确保当从孔22排出的气体在环形物28中与后冲洗流体混合时在环形物28中喷射接头20处或其下方产生泡沫：
1)气体穿越孔22的压差高到足以产生相似的泡沫；
2)将一发泡剂加入流体中；和/或
3)气体至液体比率高到足以产生粘性泡沫。
将这样形成的泡沫导向结构层，并迫使进入其孔隙中，产生一隔膜，使将描述的下一步骤或循环中的流体重新导向到结构层中未处理的部分。
在该分散过程中，在表面对水库表面12处的压力上升和下降进行监测。可在表面对液体或气体速度进行改变，以改变井下泡沫对于液体损失效果和台尺寸(stage sizes)的粘性。
当所需的分散完成后，在另一循环中重复上述步骤，由分散形成的泡沫产生的上述隔膜使流体特别是激励流体能够在结构层上相对较大的面积上扩展。因此，根据前述，泡沫是根据要求在现场基本上瞬时发生的。
加速的气流可如下计算：
假定Q是质量，Vg是在一定压力下气体的体积流速(该例子中，为清楚起见，忽略了压力效果和气体膨胀效果；它可用普通工程知识包括在未来的公式中)，V1是液体速度；Vg1是Q1时的气体速度，Vg2是Q2时的气体速度；dV等于(Vg2-Vg1)，那么，已知Vg2＝(Q*V1)/(1-Q)，最终的气体流速可以由Q2计算：即Vg2＝(Q2*V1)/(1-Q2)。为了产生井下台阶变化并相对较快地输送体积，该体积是VADD＝dV*VPIPE/Vg2；其中VPIPE是导管运载气体的总体积。除Vg2之外，VADD必须尽可能快地输送。
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。
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，在地面(未图示)将气体如氮气引入工作管柱56的一端；同时将上述的激励流体泵入钻井50的环形物中。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，因而当气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，用钻井50中的气体产生泡沫。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)。上述的酸打点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。
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。在图5的实施例中，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。套管60必须用常规装置预穿孔或穿孔；或者可以用喷射接头20与沙子一起水力喷射。可选择地，在套管60内部可安装金属丝网筛并以本领域公知的方式用石子压紧。然后起动结合图1-3中的实施例描述的操作，及激励流体与发泡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，打击套管60，从而产生泡沫并以如上所述的方式对其进行挤压。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中。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。套管部分62b必须用常规装置预穿孔或穿孔；或者可以用喷射接头20与沙子一起水力喷射。可选择地，在套管部分62b内部可安装金属丝网筛并以本领域公知的方式用石子压紧。然后起动结合图1-3中的实施例描述的操作，激励流体与发泡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62中的上述孔，打在结构层12上，从而以如上所述的方式对其进行断裂和挤压。除此之外，图6中实施例的操作与图1-4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，尽管上述技术中结合矩阵酸化沙石水库而描述的，但可以理解，并不排除用氢氟酸进行矩阵沙石酸化，并可将与碳化水库匹配的其它类型的酸用在碳化矩阵酸化中。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。此外，可在气体泵入环形物28中时将流体注射通过工作管柱16。另外还可以确定，活性流体如酸的分配可以在井中的不同位置进行。为此，喷射接头20的位置可以在图1中所示套管14下方很远处。另外，上述预冲洗和后冲洗流体可以是酸性或非酸性的。
同样，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之前将气体与一些液体预先混合。此外在本发明的范围内可对激励流体的构造进行改变。另外，钻井的特殊定向可以从完全垂直转换到完全水平。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。
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。在如下发明保护范围内，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 (17)
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以便在喷嘴与结构层之间形成一环形物，将一流体直接泵入环形物中，将一流体泵送通过这些喷嘴并进入环形物中，控制其中一个流体的压力，使该流体加注该环形物而不流入结构层中，控制另一液体的压力以便使其从环形物穿过进入结构层中，然后提高该一个流体的压力，以使其与另一流体混合，并在混合物流向结构层之前产生泡沫，至少其中一个流体包括用于激励结构层的酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该一个流体是气体或者含该酸的流体；另一流体分别是含该酸的流体或气体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提高压力的步骤使气体或含酸流体产生一相对较高的排放压差，在环形物中分别将含酸流体或气体加速到一相对较高的速度，在流体与气体之间产生一相对较高的剪切，从而形成泡沫。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，还包括将一预冲洗流体引入环形物中，及将一后冲洗流体引入环形物中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在提高压力的步骤之前引入预冲洗流体，而后冲洗流体是在预冲洗流体之后提高压力步骤之前引入。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，酸与形成通道的结构层壁反应。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，还包括改变该一个流体的压力，从而终止或提高泡沫的形成。
8.一种用于激励井下结构层的设备，该设备包括多个喷嘴，该多个喷嘴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；一将液体直接泵入该环形物中的泵；一将流体泵送通过这些喷嘴而进入环形物中的泵；用于控制其中一个流体的压力从而使该流体加注该环形物而不流入结构层中的装置；用于控制另一液体的压力从而使其从环形物穿过进入结构层中的装置；以及用于提高该一个流体的压力，使其与另一流体混合并在混合物流向结构层之前产生泡沫的装置；至少其中一个流体包括用于激励结构层的酸。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，该一个流体是气体，或者含该酸的流体；或者该一个流体是含该酸的流体而另一液体是气体；其中提高压力是使该气体或含酸流体产生一相对较高的排放压差，该压力在环形物中分别将含酸流体或气体加速到一相对较高的速度，在该气体与流体之间产生一相对较高的剪切，从而形成泡沫
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括将预冲洗流体泵入环形物中的装置，及将后冲洗流体泵入环形物中的装置。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括用于降低该一个流体的压力从而终止泡沫的形成的装置。
12.一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，从而在喷嘴与结构层之间形成一环形物，将一激励流体直接泵压通过该环形物，将一气体泵送通过这些喷嘴进入环形物中，使该激励流体与该气体混合，在混合物流向结构层之前产生泡沫，从而被迫进入其孔隙中。
13.一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，从而在喷嘴与结构层之间形成一环形物，将一气体泵送通过环形物，将一激励流体泵压通过喷嘴进入该环形物中，使该激励流体与该气体混合，在混合物流向结构层之前产生泡沫，从而被迫进入其孔隙中。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，对不同的酸性或非酸性流体实施组合，以有效地处理该结构层。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，激励流体与结构层反应，从而在结构层壁中形成通道。
16.根据权利要求12、13、14或15所述的方法，其特征在于，根据指令在井下形成泡沫，用于将随后处理的流体分散到钻井中的其它位置。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，泡沫质量在地面根据指令进行控制。
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