專利名稱：用伸縮元件壓裂和密封環(huán)形空間的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的技術領域涉及壓裂，尤其涉及一種不使用外區(qū)隔離器而在裸眼井段中進行壓裂的方法，更尤其涉及一種不使用傳統(tǒng)水泥澆注作業(yè)而密封環(huán)形空間的能力。
背景技術：
在完井方法中有兩種通常使用的壓裂技術。圖1顯示了一井孔10，其具有套管柱 12，所述套管柱12在周圍的環(huán)形空間16中澆注有水泥14。這通常是通過套管柱12下端的注水泥用套管鞋(未顯示)實現(xiàn)的。在多數情況下，如果打算進一步鉆孔，則磨銑開該注水泥用套管鞋，并進一步進行鉆孔。在管柱12被澆注水泥且水泥14凝固之后，將一射孔槍 (未顯示)下入并進行射擊而形成穿孔18，然后利用從地表傳送的流體對穿孔18進行壓裂，之后，安裝和設置封隔器或橋塞20以隔離穿孔18。然后重復該流程，即，該利用射孔槍進行穿孔，之后進行壓裂，然后又在剛剛形成并壓裂的穿孔上方設置另一個封隔器或橋塞。 這樣依次將穿孔和封隔器/橋塞對22、24 ；26,28 ；30,32 ；和34從底部36朝著井地表38而在井孔10中設置就位。該方案的一個變形是通過將伸縮元件放進套管壁中來消除穿孔，所述伸縮元件在水泥凝固之前有選擇地延伸穿過水泥，以形成至地層中的通道并跨過被澆注水泥的環(huán)形空間。USP4475729中示出了利用可展開的元件來替代穿孔工藝。一旦這些元件被展開，環(huán)形空間就被澆注水泥，并且過濾通道通過這些展開的元件打開，這樣，在該具體例子中，該井可用于噴射工作。雖然利用可展開的元件取消了穿孔，但是，澆注水泥工作加上鉆井時間的成本可能會很高，并且在某些場所，井場的后勤復雜化可能增加成本。近年來，在井產流體中膨脹或者可以變硬的管外封隔器(例如圖2中的附圖標記 40、42、44、46和48所指示)可以設置在管柱49的外部，以隔離區(qū)域50、52、54和56，在相應的區(qū)域中設有閥門，通常是滑動套筒58、60、62和64。管柱49懸掛于套管66，并且其下端67被封蓋。利用各種已知的用于移動所述滑動套筒的裝置，可以以任何希望的次序打開它們，以便可在兩個封隔器之間隔離環(huán)形空間68、70、72、74，這樣，可以將加壓的用于壓裂的流體傳送至該環(huán)形空間中，并且還要將壓力引入周圍地層。這種壓裂方法涉及在裝配管柱時需要適當放置封隔器，并且推遲了允許封隔器膨脹以隔離這些區(qū)域的時間。至于是否全部的封隔器都能夠實現(xiàn)密封以使得由在地表傳送至管柱49中的壓力而于管柱中所形成的壓力能夠可靠地去到目的區(qū)域中，這也存在潛在的不確定性。膨脹封隔器的一些例子參見 USP7441596 ；7392841 和 7387158。在有些情況下，伸縮元件已經與膨脹性材料制作的周圍套筒組合，以更好地對伸展至地層的所述伸縮元件的伸展端進行密封，同時仍能使環(huán)形空間的其余部分對給定區(qū)域的地層來說是敞開的。該結構的一些例子參見USP7387165和USP7422058。美國公開文獻 US2008/0121390顯示了一種螺旋突伸件，所述螺旋突伸件能夠膨脹和/或展開至與井眼接觸，并在突伸件之間留下用于輸送水泥的通路。因此所需的并且本發(fā)明的方法能夠提供的是一種將所施加的壓裂壓力準確定位至所希望的地層、同時無需昂貴的工序例如水泥澆注和環(huán)形空間封隔器的技術，其中地層的特征是例如井孔能夠保持其完整性。管柱中的壓力通過進入地層中的可伸展的管道傳送。給定組的管道與一隔離裝置耦合，使得在任何給定時間只有所需要的、將進行壓裂的管道組或多個管道組能夠被選擇地打開。通過伸展的管道所傳送的壓力正好去到地層，并越過其間的環(huán)形空間。管柱外表面之外可以覆蓋有膨脹性材料例如橡膠或形狀記憶聚合物， 橡膠或形狀記憶聚合物可以充填所述環(huán)形空間，取代傳統(tǒng)的、昂貴的水泥澆注作業(yè)。通過閱讀優(yōu)選實施例和相關圖3-10的描述，本發(fā)明的這些及其它特征對本領域技術人員來說會更容易明白，同時應該理解的是，本發(fā)明的整個范圍由附帶的權利要求書的文字和等效范圍確定。

發(fā)明內容
—種壓裂操作，其在裸眼井段中進行。環(huán)形空間由位于隔離閥之后的伸縮元件跨越。給定的一組伸縮元件可以是無覆蓋的，伸縮元件可以延伸以跨越環(huán)形空間并以密封的方式接合地層。加壓的壓裂流體被泵送通過伸縮通道和所希望的被壓裂地層部分。在適當的地層中，不需要水泥澆注來保持井眼完整性。伸縮元件可以任選地具有篩。通常，地層的性質使得也不需要礫石回填?？梢詫⑸a管柱插入到具有伸縮裝置的管柱中，通過有選擇地暴露的伸縮元件，就可以對所關心的地層部分進行開采。在那些需要對環(huán)形空間進行隔離的地層中，在一優(yōu)選實施例中，管柱可以具有外部材料，所述外部材料變大而密封所述環(huán)形空間，從而取代傳統(tǒng)的水泥澆注作業(yè)。


圖1是對套管澆注水泥并順序進行穿孔和設置管內封隔器或橋塞以在對一些區(qū)域進行穿孔和壓裂時隔離所述區(qū)域的現(xiàn)有系統(tǒng)；圖2是利用環(huán)形空間中的管外膨脹封隔器來隔離滑動套筒閥可進入的那些區(qū)域的另一種現(xiàn)有系統(tǒng)；圖3顯示了本發(fā)明的利用進入地層中的可展開的通道的方法，利用閥門有選擇地進入所述通道，使得直接從管柱就可以壓裂地層，同時越過裸眼井段的環(huán)形空間；和圖4是伸縮通道在展開位置的詳圖；圖如和恥顯示了利用滑動套筒展開的伸縮元件，所述伸縮元件同時被打開而進入地層；圖6a和6b顯示了帶有可展開裝置的下井管柱，所述可展開裝置用于展開伸縮通道至地層；圖7顯示了帶有在伸縮元件之間的密封的組件的下井位置的實施例，所述密封可以取代水泥澆注而密封環(huán)形空間；圖8是圖7中環(huán)形空間被密封的視圖；圖9是圖8中伸縮通道展開的視圖；和圖10是圖9中所有伸縮通道都展開的視圖。
具體實施方式
圖3顯示了本發(fā)明的一個實施例，其中地層具有使環(huán)形空間在組件108之間選擇性隔離的特征。圖7-10顯示了帶有環(huán)形空間隔離件的優(yōu)選實施例。圖3示出了位于套管102下方的裸眼井段100。一襯管104利用襯管懸掛器106 懸掛在套管102內。壓裂組件108是圖3所示其他壓裂組件的代表，本領域技術人員應當明白，可以使用任何數量的組件108，它們大部分類似，但是也可以改變以適應所希望順序的致動，正如下文所解釋的那樣。如圖4所示，各組件108具有一封閉裝置，所述封閉裝置優(yōu)選為滑動套筒110，所述滑動套筒可選擇性地利用落在支座112上的球114操作。在一個實施例中，所述支座和落在支座上的球全部具有不同的尺寸，通過首先使較小球落在處于下面的組件108上的較小支座上，并逐次使較大球落在不同的支座上以關閉閥門110，這樣可以以自底向上的順序關閉套筒。由閥門110有選擇地覆蓋的那組伸縮元件116可以具有應用中用于壓裂或隨后生產的期望流速所需的任意數量或排列或尺寸。在圖3中顯示了伸縮組件116處于縮回位置。 同時在該圖3中還顯示了伸縮元件116'處于展開位置，并抵靠井段100壁。在優(yōu)選實施例中，所有伸縮組件116最初都用插塞118阻擋，這樣，襯管104中的內部壓力將導致各個組件中元件(例如附圖標記120和122所指示)之間的伸縮延長，或者，依據環(huán)形間隙的寬度而需要多個相對移動的片段，必須越過所述環(huán)形間隙才能使引導端1 進入地層，這樣，被引導的壓力將穿透地層，而非進入敞開的環(huán)形空間126。插塞118在這里允許全部伸縮組件116響應于各個伸縮組件116處的閥門110的打開以及施加于襯管104內部的壓力而展開。一旦全部的伸縮組件都已展開，就可以移除各個組件中的插塞118。這可以通過許多方式進行，一種方式是利用可以消失的插塞，例如可以溶于導入流體的鋁合金插塞。每個組件或者有些組件可具有位于通流通道中的篩材料128，所述通流通道在展開之后且在移除插塞118之后形成。與各個伸縮組件116相關的閥門110也可以利用套筒移動工具以任何希望的次序進行操作。每個閥門可具有獨特的輪廓，所述輪廓能夠由同一個固定器(trip)或分開的固定器上的移動工具接合，以利用單個閥門110及其相關的準備用于壓裂的成組的伸縮組件 116或者利用多于一個的閥門110和成組的伸縮組件116來加快壓裂。作為另一個選擇，為了關閉閥門110，可以使用鉸接球支座，該鉸接球支座接收給定直徑的球，其允許操作閥門110并允許球在移動支座之后通過，其中，這種支座運動在另一個閥門110中配置形成另一個支座，以接收具有與第一個落下的物體相同直徑的另一物體，所述另一物體操作不同的閥門110。也可以使用允許在井中的單個固定器中操作一個以上的閥門的其他技術。例如，可以放入鉸接的移動工具并致動，使得在出井或進井的路徑上，能夠以下述方式打開或關閉一個或多于一個的閥門，即或者基于各個閥門(優(yōu)選為滑動套筒)的獨特接合輪廓，或者甚至利用共同的移動輪廓(使用各個閥門的已知部位)以及利用在到達必須移動的特定閥門之前的移動工具致動?？蛇x擇地，也可以使用設定成在不同壓力等級下破裂的破裂片，順序是伸縮通道在給定壓力下以特定順序打開的順序。然而，一旦破裂片破裂而打開通過一組伸縮通道的流動，那些通道將在另一組片破裂而進入另一個區(qū)域時不能再次關閉。雖然利用滑動套筒能夠將有效容積和壓力全部引入預定組的通道，但是利用破裂片，使得待壓裂的特定區(qū)域在隔離時的通用性較低。
本發(fā)明的上述方法利用將壓裂流體引入地層而允許進行裸眼井段壓裂，不需要環(huán)形隔離物，以及在適當的地層中，可以在裸眼井段中進行壓裂，不需要對襯管澆注水泥。這種技術結合大多數伸縮組件或所有伸縮組件上的閥門一起允許在所需的部位以所希望的次序準確進行壓裂。壓裂后，可以關閉一些閥門或關閉所有閥門，以在進行壓裂的整個井中進行關閉，或者有選擇地打開一個或更多個部位，以便通過襯管并進入生產管柱(未顯示) 而進行開采。結果，上述方法節(jié)省了澆注水泥的成本以及環(huán)形空間隔離物的成本，并使得整個流程達到以比諸如圖1和2中所述的那些現(xiàn)有方法更少的時間進行壓裂作業(yè)的程度。雖然上文作為優(yōu)選實施例論述了伸縮組件，但是也可以想象其他設計，這些設計能夠有效地跨越周圍環(huán)形空間的間隙，以便于進行壓力傳遞和以降低進入周圍環(huán)形空間的壓力或流體損失的方式接合地層。本領域技術人員應當明白，上述方法焦點在于良好地鞏固地層，在鞏固底地層處井壁坍塌不是重要的問題。在其它應用中，如下所述，井底鉆具組合特征還在于膨脹性材料或形狀記憶聚合物，在上述實施例中，所述膨脹性材料或形狀記憶聚合物填充到在上述實施例中保持敞開的所述周圍環(huán)形空間126中。液壓地展開組件116的一個可替代方案是機械展開。如圖5中的附圖標記130所示，伸縮單元回縮在套管中，以免安裝時展開超過其外徑132。如圖恥所示，當滑動套筒134 移動時，例如當球138落在支座140上時，滑動套筒134具有一逐漸縮減部分136，其在伸縮單元130上施加機械作用力使之延展，以觸碰地層，如附圖標記131所示。雖然優(yōu)選的是滑動套筒，但是可以使用任何機械工具來機械地展開伸縮單元。如圖6a和6b所示，一個例子是利用下井管柱142，其帶有活動的推進器144以推出伸縮單元。推進器可以利用內部壓力展開或者由另一裝置展開。在這種情況下，關閉裝置是可任選的。利用伸縮部件通過壓力推出所述組件116的另一個可選方案是結合襯管104的膨脹使所述組件到達周圍地層。這也可以通過伸縮組件結合管件膨脹的組合來實現(xiàn)。襯管的膨脹可以利用管件整形器來實現(xiàn)，所述管件整形器在下入過程中的前進能夠逐出放置在襯管104內部的組件。作為選擇，膨脹也可以利用壓力進行，所述壓力不但使襯管膨脹，也使組件116膨脹。任選地，最外面的伸縮片段122的前端可以制作得較硬并且尖銳，例如帶有碳化物插入件或菱形插入件，以協(xié)助穿入地層以及密封抵接地層。所述前端可以構造成齒狀，或者包含其他尖端輪廓，以幫助穿入地層。除了一個較大的區(qū)別外，圖7與圖3相同。仍具有多個間隔開的壓裂組件108，該壓裂組件具有閥門110和伸縮組件116。在圖7-10中存在密封件200，所述密封件尺寸較小以便下入井中，如圖7所示，所述密封件在鉆孔202中增大，直至將鉆孔密封。隨著密封件變大(優(yōu)選通過膨脹)，圖7所示的環(huán)形空間1 被封閉，如圖8所示。當密封件200由例如橡膠制成時，該密封件能夠在存在井流體、例如烴的情況下膨脹。所述密封件還可以結合一蓋子，所述蓋子使膨脹延遲，以允許有足夠時間使所述組件在井眼中就位。這些蓋子可以由例如井流體溶解。密封件200還可以由形狀記憶聚合物形成，例如，在存在井流體或者存在用加熱器或通過放熱的化學反應引起的人工增加的熱量的情況下(所有這些都用箭頭204示意性表示)，所述形狀記憶聚合物將膨脹而密封環(huán)形空間126。用這樣的方式可以免除非常昂貴的水泥澆注作業(yè)。除了從組件108進入地層的部位之外，在對所述環(huán)形空間進行密封存在益處的那些地層中，使用密封件200是進行密封的一種經濟的方式，不存在有關水泥澆注作業(yè)的成本和后勤問題。這對海上油井來說是更加重要的因素，在那里，進行水泥澆注作業(yè)的后勤工作變得更加復雜而且昂貴。圖9顯示了以上述方式開始壓裂時展開的一組伸縮元件116，而圖10顯示了所有展開的伸縮組件116和通過密封件200密封的環(huán)形空間126，展開的伸縮組件116周圍帶有破裂處。上文的說明書示出了優(yōu)選實施例，在不脫離本發(fā)明的情況下，本領域技術人員可以進行許多修改，本發(fā)明的范圍由下文權利要求書的文字和等效范圍確定。
權利要求
1.一種地層壓裂方法，其包括將包括多個壁通道的完井管柱下入裸眼井段中；利用至少一些接合地層的所述壁通道跨越所述管柱周圍的環(huán)形空間，同時使所述環(huán)形空間基本上向地層敞開；通過所述壁通道中的至少一個傳送加壓流體以壓裂地層，利用將所述完井管柱下入裸眼井段時由所述完井管柱支撐的至少一個密封件在所述傳送之前或之后密封所述環(huán)形空間。
2.如權利要求1所述的方法，其包括將所述密封件從傳送到所述裸眼井段中擴大至密封位置。
3.如權利要求2所述的方法，其包括通過使所述密封件暴露于所述裸眼井段中的井產流體，而使所述密封件擴大。
4.如權利要求3所述的方法，其包括利用井產流體的溫度或所述裸眼井段中人工增加的熱量來擴大所述密封件。
5.如權利要求2所述的方法，其包括 使用橡膠或形狀記憶聚合物來用于所述密封件。
6.如權利要求2所述的方法，其包括使用多個間隔開的密封件作為所述至少一個密封件，其中的間隔表示接合地層的所述壁通道的部位；通過使所述密封件膨脹，大體上密封所述壁通道周圍的所述環(huán)形空間。
7.如權利要求1所述的方法，其包括從所述管柱內部有選擇地關閉至少一個所述壁通道的入口。
8.如權利要求7所述的方法，其包括 利用閥門元件有選擇地關閉入口。
9.如權利要求1所述的方法，其包括 延長或移動所述壁通道至與地層接觸。
10.如權利要求9所述的方法，其包括由能夠相對移動的伸縮元件形成所述壁通道。
11.如權利要求10所述的方法，其包括 最初在內部阻塞所述壁通道；在所述阻塞的壁通道中建立壓力，以相對移動所述伸縮元件。
12.如權利要求1所述的方法，其包括機械地或液壓地展開或移動所述壁通道至與地層密封接觸。
13.如權利要求1所述的方法，其包括使所述管柱膨脹，以縮短所述壁通道必須跨越以接觸地層的距離。
14.如權利要求13所述的方法，其包括使用一管件整形器使所述管柱膨脹。
15.如權利要求13所述的方法，其包括通過使所述管柱膨脹，來展開或移動所述壁通道。
16.如權利要求11所述的方法，其包括在使所述壁通道展開而與地層接觸之后，去除對所述壁通道的阻塞。
17.如權利要求16所述的方法，包括 使用井中的流體溶解或去除所述阻塞。
18.如權利要求8所述的方法，其包括提供多個間隔開的滑動套筒作為所述閥門元件，用于有選擇地打開或隔離多個與各滑動套筒關聯(lián)的壁通道。
19.如權利要求18所述的方法，其包括通過多個與至少兩個滑動套筒關聯(lián)的壁通道順序地進行壓裂，選擇所述滑動套筒以順序打開，使得能夠以任何所需的次序使用與不同滑動套筒關聯(lián)的不同組的壁通道進行壓 m農。
20.如權利要求13所述的方法，其包括與所述管柱膨脹不相關地展開或移動所述壁通道。
21.如權利要求20所述的方法，其包括在完全展開或移動所述壁通道之后，使所述管柱膨脹。
22.如權利要求1所述的方法，其包括通過大約同時展開或移動全部所述壁通道，而利用全部所述壁通道跨越所述環(huán)形空間。
23.如權利要求18所述的方法，其包括僅保持一個滑動套筒打開，同時將加壓流體傳送至與所打開的滑動套筒關聯(lián)的壁通道。
24.如權利要求23所述的方法，其包括關閉所打開的滑動套筒，并打開另一個滑動套筒，所述另一個滑動套筒相對于所關閉的滑動套筒處于沿井身上行的位置；在沿井身上行的方向上，順序地關閉滑動套筒、然后打開滑動套筒，直到加壓流體通過全部所述壁通道傳送。
25.如權利要求23所述的方法，其包括關閉所打開的滑動套筒，并打開另一個滑動套筒，所述另一個滑動套筒相對于所關閉的滑動套筒處于沿井身下行的位置；在沿井身下行的方向上，順序地關閉滑動套筒、然后打開滑動套筒，直到加壓流體通過全部所述壁通道傳送。
26.如權利要求23所述的方法，其包括打開全部所述滑動套筒，并通過所述壁通道進行生產。
27.如權利要求1所述的方法，其包括 將所述壁通道的前端放置成與地層密封接觸。
28.如權利要求27所述的方法，其包括利用所述前端穿透地層。
29.如權利要求18所述的方法，其包括對所述前端進行尖銳化或變硬處理，以便于進行所述穿透。
30.如權利要求8所述的方法，其包括利用所述閥門元件，延長或移動所述壁通道至與地層接觸。
31.如權利要求9所述的方法，其包括利用下入所述完井管柱中的第二管柱上的可展開元件來接合所述壁通道，以展開或移動所述壁通道至地層。
全文摘要
一種在裸眼井段中進行的壓裂操作。環(huán)形空間由位于隔離閥之后的伸縮元件跨越。給定的一組伸縮元件可以是無覆蓋的，伸縮元件可以延伸以跨越環(huán)形空間并以密封的方式接合地層。加壓的壓裂流體可被泵送通過伸縮通道和所希望的被壓裂地層部分。在適當的地層中，不需要水泥澆注來保持井眼完整性。在那些需要環(huán)形空間隔離的地層中，在一優(yōu)選實施例中，管柱可以具有外部材料，所述外部材料成長而密封環(huán)形空間，從而取代傳統(tǒng)的水泥澆注作業(yè)。
文檔編號E21B33/14GK102459808SQ201080026513
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權日2009年5月11日
發(fā)明者B·M·理查德, 徐陽 申請人:貝克休斯公司