提供動態瞬時壓力條件以改善射孔特性的方法

專利名稱：提供動態瞬時壓力條件以改善射孔特性的方法
提供動態瞬時壓力條件以改善射孔特性的方法技術領域一般地，本發明涉及在井筒中提供動態瞬時壓力狀態(dynamic transient pressure condition)以改善形成于儲層中的射孔的特性。
背景技術：
為了完井，對鄰近井筒的一個或多個地層進行射孔，以允許各地層的 流體流入生產井到達地表或者允許將注入流體施加到所述地層中。可將射 孔槍管柱(perforating gun string)降至油井中并觸發射孔槍，從而在套管上形 成開口并使射孔延伸到周圍地層中。射孔孔道形成的爆炸性使地層的砂粒散落。在各射孔孔道周圍形成一 層滲透性低于原始地層基巖(virgin formation matrix)的"震動損害區(shock damaged region)"。該過程還可造成充滿巖石^5爭片的孔道，巖石碎片中混雜 著射孔彈碎片。損害程度以及孔道中的松散碎片量會削弱生產井的產能或 注入井的注入能力。為獲得清潔的射孔并消除射孔損害，可進行負壓射孔，即在井筒壓力 低于地層壓力時進行射孔。人們已經采用斯倫貝謝的PURE(Perforating for Ultimate Reservoir Exploitation)技術，以在形成射孔之后立即提供瞬時負壓， 進而降低或消除射孔損害并提高產能或注入能力。然而，已證實在某些情況下僅使用瞬時負壓不能提供最佳射孔。發明內容一般地，根據一種實施方案，用于油井的方法包括在井筒層段(wellbore interval)中形成瞬時過壓狀態(transient overbalance condition),使得井筒層段 的壓力大于周圍地層中的儲層壓力，其中形成瞬時過壓狀態致使地層的近 井筒區域的壓力升高。井筒層段中的壓力以一定的速度降低，形成相對的 負壓狀態，其中井筒層段中的壓力低于地層的近井筒區域中的壓力但高于 儲層壓力。
一般地，根據另一種實施方案，用于油井的方法包括利用具有可膨脹 部件的裝置在井筒層段中形成過壓狀態，其中使可膨脹部件膨脹以產生瞬 時過壓狀態。形成過壓狀態之后，利用該裝置降低井筒層段中的壓力，以 在井筒層段和周圍地層的近井筒區域之間形成壓差。根據以下說明、附圖和權利要求書，其它或可替換的特征將變得顯而 易見。


圖1圖示了根據實施方案的用于在井筒層段周圍的地層中形成射孔的工具管柱(tool string)的部分示范性排列。圖2示例使用圖1所示的工具管柱中的控壓裝置形成壓力脈沖。圖3-5示例根據一種實施方案形成瞬時過壓狀態的動態過壓腔裝置 (dynamic overbalance chamber device)的實例。圖6為根據一種實施方案使用工具管柱形成的井筒壓力和近井筒地層 壓力隨時間變化的曲線圖。圖7示例具有調壓室(surge chamber)的射孔槍。
具體實施方式
在隨后的說明中，闡述大量細節以供理解本發明。然而，本領域技術 人員應當理解的是，可在沒有這些細節的情況下實施本發明，并且可對所 述實施方案進行各種改變或改進。如本申請所用，在本說明書中使用表示給定點或要素以上或以下的相 對位置的術語"以上，，和"以下"、"向上"和"向下"、"上部"和"下部"、 "向上地，，和"向下地"或者其他類似的術語，以更清楚地說明本發明的 一些實施方案。然而，當應用于傾斜或水平并筒所用的設備和方法時，這 些術語可指由左向右、由右向左或合適的斜向關系。根據一些實施方案，使用具有可膨脹部件的動態過壓腔(DOBC)裝置， 使所述可膨脹部件膨脹，從而在井筒層段中形成瞬時過壓狀態。在一些實 施方案中，可在射孔槍中的聚能射孔彈(shaped charge)引爆之前形成瞬時過 壓狀態，使得在周圍地層中形成射孔孔道的過程中，迫使井筒流體進入射 孔，從而提高射孔周圍的孔壓。
還可使用DOBC裝置，通過使DOBC裝置的可膨脹部件收縮或突然停 止DOBC裝置可膨脹部件的膨脹，在井筒層段和周圍地層之間形成壓差。 在一些實施方案中，DOBC裝置中可膨脹部件的收縮可使井筒層段中壓力 的降低速度快于周圍地層壓力。因此，存在一段時間，在這段時間內井筒 層段具有低于周圍地層的壓力，從而有效地提供相對負壓狀態，其中至少 在地層的近井筒區域中，井筒層段中的壓力低于周圍地層的壓力。地層的 近井筒區域是指鄰近井筒的地層區域。在井筒層段和至少地層的近井筒區 域之間形成壓差的能力解決了下述問題例如當儲層壓力相對較低時不易 形成真正的負壓狀態。有效地，根據一些實施方案的方法利用DOBC裝置允許地層的近井筒 區域增壓至較高的壓力，使得隨后井筒層段中的壓力以快于地層的近井筒 區域的速度下降，從而形成相對負壓狀態，即井筒壓力低于近井筒區域中 的地層壓力。真正的負壓狀態為井筒層段壓力低于周圍儲層壓力的條件。 利用DOBC裝置形成的相對負壓狀態提供相對于增壓近井筒區域的井筒層 段負壓，即儲層壓力可實際等于或低于井筒層段壓力。圖1示例顯示射孔工具一部分的示范性排列，該射孔工具包括射孔槍 102、射孔槍102之上的第一 DOBC裝置104和射孔槍102之下的第二 DOBC 裝置106。在替換性實施方案中，可僅使用一個DOBC裝置(或兩個以上的 DOBC裝置)。射孔槍102包括聚能射孔彈103,發射時該聚能射孔彈103形成延伸進 入井筒層段110周圍地層108的射流(perforating jet)。在圖1所示的示范性 排列中，在觸發射孔槍102之前，起動DOBC裝置104和106。在一種實 施方案中，可同時或基本同時(短于DOBC裝置和射孔槍102之間起動間隔 時間的一段預定時間內)起動DOBC裝置104、 106。DOBC裝置104、 106的起動(使DOBC裝置104、 106中的可膨脹部件 膨脹)致使在井筒層段110中形成瞬時過壓狀態。經過預定的延遲時間之后， 觸發射孔槍102(在瞬時過壓狀態存在下)。由DOBC裝置104、 106形成的 瞬時過壓狀態的作用在于使地層108的近井筒區域112增壓(換言之，相對 于儲層壓力，使近井筒區域112的壓力提高)。射孔槍102起動之后，井筒 層段110的壓力降低(例如通過使DOBC裝置104、 106中的可膨脹部件收 縮或突然停止所述可膨脹部件的膨脹)，進而在井筒層段110和至少周圍地
層108的近井筒區域112之間形成壓差。這有效地提供動態負壓狀態，從 而可使射孔槍102形成的射孔是清潔的，并且消除或減輕射孔損害。在一些實施方案中，為增強井筒層段110中的相對負壓狀態，射孔槍 102可以是射孔操作之后能夠(以沖擊波形式)形成壓降的槍。在這種實施方 案中，可利用射孔槍102中的調壓室實現壓降，其中最初使調壓室與井筒 環境隔絕。調壓室可包括常壓室(atmospheric chamber)。射孔槍102的起動 和射孔槍102中聚能射孔彈103的觸發導致調壓室的一個或多個端口打開， 使得周圍的井筒流體可快速流入調壓室，從而在井筒層段110中形成動態 負壓狀態。在其它實施方案中，射孔槍102可以是沒有調壓室的標準射孔槍。在 這些實施方案中，依靠DOBC裝置104、 106在井筒層段110中提供相對負 壓狀態。在一些實施方案中，可使用各自的起動裝置120、 122和124分別起動 DOBC裝置104、 106和射孔槍102。起動裝置120、 122、 124可以是爆炸 箔起爆器(exploding foil initiator)(EFI)裝置或橋式爆炸導線(exploding bridge wire)(EBW)裝置，其中提供輸入起動電壓導致一部分(例如金屬箔)爆炸或蒸 發，這使小飛輪(flyer)從表面切出并向爆炸部件的方向行進。小飛輪撞擊爆 炸部件時將爆炸部件引爆。EFI裝置可以是觸發式EFI裝置，其中提供觸發輸入以能夠更容易、更 可靠地起動EFI裝置。EFI裝置120、 122和124可與延遲機構(delay mechanism)結合，以允許 一個EFI裝置(例如與射孔槍102結合的EFI裝置124)相對于至少另 一個EFI 裝置(例如EFI裝置120和/或EFI裝置122)延遲。延遲機構允許例如DOBC 裝置和射孔槍之間數毫秒的起動延遲，從而可在DOBC裝置形成的瞬時過 壓狀態下觸發射孔槍。圖2圖示了 DOBC裝置104或106如何能夠形成瞬時過壓狀態。DOBC 裝置104或106的起動致使形成兩個壓力脈沖200和202，第一壓力脈沖 200沿井筒208的第一方向204移動，第二壓力脈沖202沿井筒208的與第 一方向204相反的第二方向206行進。這樣，回到圖l所示的實例，DOBC 裝置106的起動會導致第一壓力脈沖向上行進，及第二壓力脈沖向下行進。 DOBC裝置104的起動同樣會導致第一壓力脈沖向上行進，及第二壓力脈
沖向下行進。在鄰近射孔槍102的區域，兩個壓力脈沖(來自DOBC裝置104 的下行壓力脈沖和來自DOBC裝置106的上行壓力脈沖)合并，從而形成瞬 時過壓狀態。應當注意的是，僅使用一個DOBC裝置(而不是圖l所示的兩 個DOBC裝置)也足以形成瞬時過壓狀態。DOBC裝置104或106的實例如圖3所示，其中DOBC裝置104或106 包括裝在DOBC裝置外殼302中的可膨脹部件300(其可以是可膨脹氣嚢)。 可膨脹氣嚢300可由允許氣嚢300膨脹的聚合物或其它柔性材料制成。或 者，氣嚢300可由高強度織物制成，其可以類似于汽車氣嚢的方式展開。 外殼302具有允許DOBC裝置內腔306與DOBC裝置外部之間流體連通的 端口 304。所述端口可以是直徑可控的孔或阻滲層(permeablebarrier)。可膨脹部件的另一實例可為移動金屬限制體(moving metal boundaiy), 例如裝有高能物質的金屬罐。與可膨脹氣嚢實例相比，該實例可形成持續 時間較短但幅度較大的井筒過壓狀態。DOBC裝置104或106還包括在外殼302中與可膨脹氣嚢300相鄰的 壓力源308。根據一些實例，壓力源308可以是推進劑或增壓氣瓶(pressurized gas cylinder)。壓力源308和可膨脹氣嚢300之間設置有傳壓機構310。可膨脹氣嚢 300的另 一 端與端塞318相連。傳壓才幾構(pressure communication mechanism)310開啟時可將來自壓力源308的壓力傳遞到可膨脹氣嚢300的 內室312中，從而使可膨脹氣嚢300迅速向外膨脹。例如，如果壓力源308 為增壓氣瓶，則傳壓機構310可包括穿孔閥(pierce valve)314，所述穿孔閥 314在增壓氣瓶308上刺穿開口，以允許增壓氣瓶308中的壓力經過穿孔閥 314和流動通道316進入可膨脹氣嚢300的內室312。可通過朝著穿孔閥314 縱向移動增壓氣瓶，完成增壓氣瓶308的穿孔，使得增壓氣瓶的封口被破 壞。或者，穿孔閥314可具有可移動的穿孔部件，該部件起動時可刺穿增 壓氣瓶的封口或可膨脹氣嚢300的封口 。如果壓力源308為推進劑，則可略去穿孔閥314，這是因為可點燃推進 劑形成增壓氣，經過傳壓機構310將增壓氣傳輸到可膨脹氣嚢300的內室 312中。圖4顯示增壓氣瓶308的配置，所述增壓氣瓶沿DOBC裝置104、 106 的縱軸縱向移動與穿孔閥314接合，使得增壓氣瓶308中的增壓氣通過傳
壓機構310傳輸到可膨脹氣嚢300的內室312中。如圖4所示，可膨脹氣 嚢300處于膨脹狀態。圖5為顯示外殼302和外殼302端口 304的DOBC裝置外部視圖。圖6為井筒壓力和近井筒壓力隨時間變化的關系圖，其中利用DOBC 裝置產生壓力。初期未起動DOBC裝置時，井筒壓力處于較低值(600)。在 某一時刻，例如通過點燃推進劑或通過將增壓氣瓶的增壓氣傳輸到可膨脹 氣嚢的內室中，起動DOBC裝置。DOBC裝置的可膨脹氣嚢膨脹，致使井 筒壓力升高(如602所示)。雖然步驟602示意壓力升高，但應當注意的是壓 力升高可能更平緩，如標記為604的虛線斜面所示。井筒壓力達到相當于DOBC裝置產生的脈沖的高水平(606)。進一步如 圖6所示，相應于井筒層段中的瞬時過壓狀態，使周圍地層的近井筒區域 增壓(如608所示壓力漸增)。在某一時刻，可通過將增壓氣瓶從可膨脹氣嚢中移出或隨著推進劑燃 盡，將可膨脹氣嚢內室中的增壓氣排出。或者，可使氣嚢突然停止膨脹。 因此，進一步如圖6所示，井筒壓力較快速地下降(如610所示)。如610所 示，地層的近井筒區域的壓降較平緩。因此，存在一段時間(如614所示)， 在這段時間內井筒層段中的壓力低于地層的近井筒區域的壓力，由此有效 地提供相對負壓，從而可使射孔干凈并可減輕或消除射孔損害。參考圖7，為在射孔過程中形成負壓狀態，射孔槍102包括槍殼70厶 在一種實施方案中，射孔槍102為中空的載具槍(hollow carrier gun),其在 密封的槍殼702的腔718中裝有聚能射孔彈103。在聚能射孔彈103爆炸過程中，聚能射孔彈103產生的射流導致在外 殼702上形成射孔口 720。在聚能射孔彈103爆炸過程中，熱氣充滿射孔槍 102的內腔718。如果所得爆炸氣壓比井筒壓力低一給定量，較冷的井筒流 體則被吸入射孔槍102的內腔718。經過射孔口 720的油井流體迅速加速， 使得流體迸裂為液滴，從而快速冷卻內腔718中的氣體。所造成的快速槍 壓損失，甚至井筒流體快速排入內腔718，造成井筒壓力下降。在一些實施方案中，可在射孔槍102周圍提供處理液。可在井筒層段 110中、射孔槍102自身當中或一些其它容器中提供處理液。通過DOBC 裝置形成的瞬時過壓狀態驅使處理液進入射孔。一種處理液為固化液(consolidation fluid)，該流體可用于固化射孔和地
層的近井筒區域以避免地層移動或細顆粒移動。固化液的 一種實例包括內 含微膠嚢的環氧流體，其中所述微膠嚢具有含硬化劑流體或催化劑流體的 內腔。最初，微膠嚢中的硬化劑流體與環氧流體隔離。開始時，井筒層段可具有適度的過壓狀態，因為固化液覆蓋了要射孔的井筒層段。通過DOBC 裝置形成的大的動態過壓狀態，引發經井筒流體傳播的沖擊波，使微膠嚢 破碎，致使微膠嚢內的硬化劑流體與環氧流體混合。此間，大的動態過壓 狀態迫使環氧混合物進入地層的近井筒區域。環氧的硬化有助于固化近井 筒區域中不牢固、疏松的巖石。進行上述固化的益處在于使單次拆裝無過 濾-器的4空；少才乘4乍(one-trip screen—less sand control operation)成為可能。將硬化劑流體或催化劑流體導入地層的另 一種方法是，例如利用鉆井 過程中所用的鉆井液將硬化劑流體或催化劑流體預導入到射孔中。另外，DOBC裝置之上的流體可以是后沖洗液(post-wash fluid),其是 通過施加連續井口壓力注入的。為利用后沖洗液，可使用裝有大井眼彈藥 的射孔^T(guns with big hole charges)。這種^r無需調壓室。在另一種應用中，處理液可為酸例如HC1，來處理碳酸鹽巖油儲。利 用大瞬時動態過壓狀態將大量酸注入射孔以進行增注。在DOBC裝置形成 的瞬時過壓狀態下并且同時存在酸的情況下，能夠進行射孔以及酸化。酸 化有助于消除或減輕射孔損害。可采用的另一種處理液是在井筒層段110中提供的攜帶支撐劑的壓裂 液(proppant-laden fracturing fluid)。支撐劑是指與壓裂液混合的顆粒，其可 在壓裂操作中用于保持裂縫張開。在另 一種應用中，可在DOBC裝置形成的瞬時過壓狀態下提供多種處 理液。觸發射孔槍進行射孔可使多種處理液混合。在一些實施方案中，多 種處理液的混合可造成所述液體的活化。例如由此可有利于樹脂的固化。在另 一種實施方案中，可相繼施用多種處理液。可在DOBC裝置形成 的瞬時過壓狀態下施用第一處理液。經過預定的延遲之后，例如通過排放 增壓氣(例如氮氣)，可形成另一瞬時過壓狀態。可在第二瞬時過壓狀態下將 第二處理液施用于井筒層段。盡管通過數量有限的實施方案對本發明進行了披露，但本領域技術人 員應當理解的是可對所述實施方案進行各種改進和改變。所附權利要求意 圖覆蓋落在本發明真正構思和范圍內的這些改進和改變。
權利要求
1. 一種用于油井的方法，包括在井筒層段中形成瞬時過壓狀態，使得該井筒層段的壓力高于周圍地層中的儲層壓力，其中形成瞬時過壓狀態，使得地層的近井筒區域的壓力升高；和以一定的速度降低所述井筒層段中的壓力，形成相對的負壓狀態，其中井筒層段中的壓力低于地層的近井筒區域的壓力。
2. 權利要求l的方法，還包括 在形成瞬時過壓狀態之后觸發射孔槍， 其中在觸發射孔槍之后發生降低壓力。
3. 權利要求2的方法，其中所述在井筒層段中形成瞬時過壓狀態和降 低壓力是利用具有可膨脹部件的裝置進行的。
4. 權利要求3的方法，其中所述井筒層段中的降低壓力是通過使用射 孔槍的調壓室或突然停止所述部件的膨脹進行的。
5. 權利要求4的方法，還包括在觸發射孔槍時打開調壓室的至少一個 端口。
6. 權利要求3的方法，其中所述具有可膨脹部件的裝置利用第一起動 機構起動，并且其中所述射孔槍利用第二起動機構觸發，所述第二起動機 構具有延遲機構，以在起動所述具有可膨脹部件的裝置和觸發所述射孔槍 之間設定延遲。
7. 權利要求6的方法，其中所述第一和第二起動機構包括爆炸箔起爆 器(EFI)或橋式爆炸導線(EBW)起動機構。
8. 權利要求3的方法，其中所述可膨脹部件包括可膨脹氣嚢，其中所 述形成瞬時過壓狀態是通過氣嚢膨脹進行的，并且其中所述通過降低井筒 層段中的壓力是通過可膨脹氣嚢收縮或者突然停止氣嚢膨脹進行的。
9. 權利要求l的方法，還包括在瞬時過壓狀態下對周圍地層施用處理液。
10. 權利要求9的方法，其中所述施用處理液包括施用固化液以固化 周圍地層。
11. 權利要求10的方法，其中所述施用固化液包括 提供內含微膠嚢的環氧流體，所述微膠嚢含有硬化劑流體；和 利用瞬時過壓狀態產生的壓力波破壞所述微膠嚢，以使環氧流體與硬 化劑流體混合，從而提供固化液。
12. 權利要求9的方法，還包括 施用至少另一種處理液；和 混合所述處理液作為射孔處理的一部分。
13. 權利要求9的方法，還包括 在形成瞬時過壓狀態后，等待一段預定的時間延遲； 在等待預定的時間延遲之后，于井筒層段中形成第二瞬時過壓狀態；和在第二瞬時過壓狀態下施用第二處理液。
14. 權利要求9的方法，其中所述施用處理液包括施用酸。
15. 權利要求9的方法，其中所述施用處理液包括施用攜帶支撐劑的 壓裂液。
16. —種用于油井的方法，包括利用具有可膨脹部件的裝置在井筒層段中形成過壓狀態，其中使可膨 脹部件膨脹而形成瞬時過壓狀態；和在形成過壓狀態之后，利用所述裝置降低井筒層段中的壓力，以在井 筒層段與地層的近井筒區域之間形成壓差。
17. 權利要求16的方法，其中所述降低井筒層段中的壓力是通過使可 膨脹部件收縮或突然停止可膨脹部件的膨脹促成的，并且其中所述使可膨脹部件收縮或突然停止可膨脹部件的膨脹，使得井筒 層段中的壓力比地層的近井筒區域的壓力下降得更快。
18. 權利要求17的方法，其中在瞬時過壓狀態使近井筒區域的壓力升 高之后，地層的儲層壓力低于地層的近井筒區域的壓力。
19. 權利要求16的方法，還包括在由所述裝置形成的過壓狀態存在時 起動射孔槍。
20. 權利要求19的方法，其中在起動所述裝置形成過壓狀態之后，所 述起動射孔槍存在設定的延遲。
21. 權利要求16的方法，其中所述裝置還包括產生增壓氣體以使可膨 脹部件膨脹的增壓氣源，該方法還包括起動該增壓氣源以使可膨脹部件膨 脹。
22. 權利要求21的方法，其中所述增壓氣源包括推進劑，并且其中所 述起動增壓氣源包括啟動推進劑以使推進劑燃燒。
23. 權利要求21的方法，其中增壓氣源包括氣瓶，并且其中所述起動 增壓氣源包括將增壓氣體從氣瓶傳輸到可膨脹部件。
24. —種用于油井的設備，其包括單獨的控壓裝置，其具有用于在井筒層段中形成瞬時過壓狀態的可膨 脹部件；或者該控壓裝置與下列裝置的組合射孔槍，其在控壓裝置起動之后起動，使得射孔槍在瞬時過壓狀態存 在下射孔。
25. 權利要求24的設備，其中所述控壓裝置和射孔槍各自均具有起動 裝置，其中射孔槍的起動裝置在控壓裝置的起動裝置起動后經過預定的時 間延遲后起動。
全文摘要
提供動態瞬時壓力條件以改善射孔特性的方法。在井筒層段中形成瞬時過壓狀態，使得井筒層段的壓力高于周圍地層中的儲層壓力。形成瞬時過壓狀態使得地層的近井筒區域的壓力升高。以一定的速度降低井筒層段中的壓力以產生相對的負壓狀態，其中井筒層段中的壓力低于地層近井筒區域的壓力而高于儲層壓力。
文檔編號E21B43/11GK101397899SQ200810149299
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月27日 優先權日2007年9月27日
發明者勞倫斯·A·貝爾曼, 布倫登·M·格羅夫, 杰里米·哈維, 雷蒙德·J·蒂布勒斯 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司