專利名稱：對地下井結構層進行酸激勵的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方法和設備，用于處理地下井結構層，從而激勵碳氫化合物的生產(chǎn)，更特別地，涉及在井結構層中使用泡沫轉移的方法和設備。
背景技術：
已經(jīng)開發(fā)了多種技術用于處理地井下結構層，從而激勵碳氫化合物的生產(chǎn)。例如，經(jīng)常使用液壓裂縫酸化方法，根據(jù)該方法，用常規(guī)堵塞等將一部分將被激勵的結構層分離，將含有凝膠、酸、沙漿等的激勵流體泵壓穿過鉆井進入結構層的分離部分中。加壓的激勵流體以一非常高的力推壓在結構層上，從而在結構層上建立和擴展裂縫。
還使用了擠壓方法，包括以一高于結構層壓力的壓力(但沒有斷裂方法中流體壓力那樣高)將含有酸的激勵流體引入結構層中，使流體滲入結構層的孔隙中，并與結構層反應而將孔隙放大。
在這些方法中，經(jīng)常使用泡沫分散，根據(jù)該方法形成泡沫并用于堵塞結構層中的孔隙，從而促進流體在結構層上相對較大的面積上擴展。為此，在地面設置了常規(guī)的發(fā)泡設備，產(chǎn)生泡沫，然后泵入井下。但泡沫具有大得多的摩擦系數(shù)，并降低了靜水效果，這兩點都嚴重地提高了用于處理鉆井的壓力。另外，使用常規(guī)工藝，在地面產(chǎn)生的泡沫通過與其它流體相同的管路輸送。因此，如果需要泡沫，在前面使用的全部液體都從鉆井中清除出來之前不能將泡沫引入結構層中。進入泡沫發(fā)生器中的氣體可以改變，但在全部前面輸送的泡沫清洗鉆井之前該改變不會發(fā)生。這當然是非常耗時的。

發(fā)明內容
我們現(xiàn)在提出一種改進的方法和設備，用于激勵鉆井，從而減緩或克服上述問題。
一方面，本發(fā)明提供一種激勵井下結構層的方法，該方法包括將多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物，將一流體直接泵入環(huán)形物中，將一流體泵送通過這些噴嘴進入環(huán)形物中，控制其中一個流體的壓力，使該流體加注該環(huán)形物而不流入結構層中，控制另一液體的壓力，使它從環(huán)形物穿過進入結構層中，然后提高該一個流體的壓力，使其與另一流體混合，并在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫，至少其中一個流體包括用于激勵結構層的酸。
另一方面，本發(fā)明提供用于激勵井下結構層的設備，該設備包括多個噴嘴，該多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，從而在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物；一將液體直接泵入該環(huán)形物中的泵；一將流體泵送通過這些噴嘴進入環(huán)形物中的泵；用于控制其中一個流體的壓力，使該流體加注該環(huán)形物而不流入結構層中的裝置；用于控制另一液體的壓力，使其從環(huán)形物穿過進入結構層中的裝置；以及用于提高該一個流體的壓力，使其與另一流體混合，并在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫的裝置；至少其中一個流體包括用于激勵結構層的酸。
附圖描述為使本發(fā)明得到更全面的理解，對附圖進行參照，其中

圖1是位于垂直鉆井中的根據(jù)本發(fā)明一實施例的斷裂系統(tǒng)的剖視圖。
圖2是圖1和2中設備兩部件的分解立面圖。
圖3是圖2中部件的剖視圖。
圖4是位于具有水平偏移的一鉆井中的根據(jù)本發(fā)明一實施例的斷裂設備的剖視圖。
圖5是與圖1相似的視圖，但示出位于一垂直鉆井中的根據(jù)本發(fā)明斷裂系統(tǒng)的一可替換實施例。
圖6與圖5非常類似，但示出位于具有水平偏移的一鉆井中的圖5中實施例的斷裂系統(tǒng)。
具體實施例方式
參照圖1，示出安裝在一地下垂直延伸的鉆井10中的根據(jù)本發(fā)明一實施例的激勵系統(tǒng)，鉆井10穿透產(chǎn)生碳氫化合物的地下結構層12。一套管14從地面(未圖示)延伸到鉆井10中并終止于該結構層上方。該激勵系統(tǒng)包括一工作管柱16，該工作管柱16為管道或盤繞管形式，并從地面延伸穿過套管14。如從圖1中看到的，工作管柱16可定位在剛好高于套管14的下端，或者可以延伸超過套管14的端部或在其下面。工作管柱16的一端以將要描述的方式與管狀噴射接頭20的一端聯(lián)接。該噴射接頭具有穿過其壁加工的多個通孔22，形成下面將詳細描述的排放射流。
一閥接頭26同樣以將描述的方式與噴射接頭20的另一端聯(lián)接。工作管柱16位于地面的端部用于接收下面將詳細描述的激勵流體，如氮氣或二氧化碳。
閥接頭26通常關閉，使激勵流體流從噴射接頭20排出。閥接頭26是可選擇的，一般要求例如在擋住、設備失效等過程中允許緊急反向循環(huán)過程。在鉆井10的內表面與工作管柱16和接頭20和26的外表面之間形成一環(huán)形物28。由于將描述的原因，從地面將幾種不同類型的流體泵入環(huán)形物28中。
噴射接頭20和閥接頭26的各軸基本上在鉆井10中垂直延伸。當將氣體泵壓穿過工作管柱16時，其進入噴射接頭20內部，并通過孔22排放到鉆井10中，打在結構層12上。
圖2和3中示出噴射接頭20和球閥接頭26的細節(jié)。該噴射接頭20由一管狀殼體30形成，該接頭20包括一延伸穿過殼體長度的縱向流道32?？?2在一個平面中延伸穿過套管的壁，并可垂直于圖2中所示套管的軸線延伸，和/或如圖3所示與套管軸線成一銳角延伸，和/或與該軸線(未圖示)對準。這樣，來自工作管柱16的激勵流體進入殼體30，穿過通道32，并從孔22排出，激勵流體排放模式是繞殼體30延伸的盤的形式。
如果氣體引入工作管柱16中，并在將描述的條件下以一相對較高的壓力通過孔22排出，則實現(xiàn)了噴射效果。這產(chǎn)生了相對較高的排放壓差，將環(huán)形物28中的激勵流體加速到一相對較高的速度。從而在噴射氣體與環(huán)形物28中的流體之間發(fā)生相對較高的剪切。由于將解釋的原因，該高剪切在現(xiàn)場產(chǎn)生了高質量泡沫。
在殼體30兩端形成兩個管狀管接頭34和36，并最好與殼體整體成形。管接頭34和36直徑小于殼體30并且是外螺紋，工作管柱16(圖1)的對應端部是內螺紋，從而借助于管接頭34將工作管柱緊固到殼體30上。
閥接頭26由一管狀殼體40制成，該殼體40包括一從殼體一端伸出的第一縱向流道42和一從流道42向殼體另一端延伸的第二縱向流道44。流道42的直徑大于流道44，從而在流道之間形成一臺肩，一球46在流道42中延伸并通常座靠在該臺肩上。
一外螺紋管接頭48從殼體40一端伸出，用于聯(lián)接激勵過程中使用的其它部件(未圖示)，如傳感器，記錄器，定中心器等。殼體40中一端為內螺紋，用于接收噴射接頭20的外螺紋管接頭36，從而將閥接頭26的殼體40聯(lián)接到噴射接頭的殼體30上。
可以理解，其它常規(guī)部件，如對中裝置，BOPS，脫模機，管路閥，固定器，密封件等，可以連接到圖1中的系統(tǒng)上。由于這些部件是常規(guī)的，不構成本發(fā)明的任何部分，為清楚起見，圖1中作了省略。
操作中，球46落入工作管柱16中，穿過流道42，并座靠在流道42與44之間的臺肩上。將一氣體，如氮氣或二氧化碳向下泵壓到工作管柱16中，從而在接頭20和26中建立起流體壓力。氣體的泵壓持續(xù)進行，直到其停止時系統(tǒng)完全注滿。
然后在結構層孔隙的壓力與裂縫壓力之間的壓力下將一預沖洗的流體向下泵入環(huán)形物28中。該預沖洗流體從鉆井10中去除碳酸巖和/或掃除有害礦物質，否則當在后面步驟中接觸氫氟酸時，這些有害礦物質會產(chǎn)生沉淀物。預沖洗流體可以是非酸性、酸性或二者都有。
然后在孔隙壓力與裂縫壓力之間的水庫12處的壓力下將激勵流體向下泵入環(huán)形物28中。激勵流體可以是用于擠壓或矩陣酸化的常規(guī)酸，加上本領域公知的各種填加劑。典型的流體包括礦物或有機酸，如鹽酸，氫氟酸，甲酸，乙酸，或它們的混合物。激勵流體與結構層以常規(guī)方式反應，產(chǎn)生斷裂和擠壓。
然后將一后沖洗流體向下泵入環(huán)形物28中，將氫氟酸掃出鉆井。由于將描述的原因，該后沖洗流體一般為非酸性，并可包含發(fā)泡劑。注意，如上所述，在上述過程中，一些氣體可能靠近或在其端部存在于工作管柱16中，一些氣體可能由于系統(tǒng)加注而已經(jīng)泄漏到環(huán)形物28中。該氣體有一定濃度或壓力，以防止上述流體上升到工作管柱16中，但并沒有高到當在噴射接頭20中的孔22處與流體混合時足以產(chǎn)生粘性泡沫。
在對后沖洗流體進行一預定泵壓后，起動一分散步驟，確保流體在結構層上相對較大的面積上擴展。為此，如上所述，氣體進入工作管柱16和穿過孔22的泵壓速度以一高于系統(tǒng)初始加注的速度開始。采取下列步驟之一來確保當從孔22排出的氣體在環(huán)形物28中與后沖洗流體混合時在環(huán)形物28中噴射接頭20處或其下方產(chǎn)生泡沫1)氣體穿越孔22的壓差高到足以產(chǎn)生相似的泡沫；2)將一發(fā)泡劑加入流體中；和/或3)氣體至液體比率高到足以產(chǎn)生粘性泡沫。
將這樣形成的泡沫導向結構層，并迫使進入其孔隙中，產(chǎn)生一隔膜，使將描述的下一步驟或循環(huán)中的流體重新導向到結構層中未處理的部分。
在該分散過程中，在表面對水庫表面12處的壓力上升和下降進行監(jiān)測?？稍诒砻鎸σ后w或氣體速度進行改變，以改變井下泡沫對于液體損失效果和臺尺寸(stage sizes)的粘性。
當所需的分散完成后，在另一循環(huán)中重復上述步驟，由分散形成的泡沫產(chǎn)生的上述隔膜使流體特別是激勵流體能夠在結構層上相對較大的面積上擴展。因此，根據(jù)前述，泡沫是根據(jù)要求在現(xiàn)場基本上瞬時發(fā)生的。
加速的氣流可如下計算假定Q是質量，Vg是在一定壓力下氣體的體積流速(該例子中，為清楚起見，忽略了壓力效果和氣體膨脹效果；它可用普通工程知識包括在未來的公式中)，V1是液體速度；Vg1是Q1時的氣體速度，Vg2是Q2時的氣體速度；dV等于(Vg2-Vg1)，那么，已知Vg2＝(Q*V1)/(1-Q)，最終的氣體流速可以由Q2計算即Vg2＝(Q2*V1)/(1-Q2)。為了產(chǎn)生井下臺階變化并相對較快地輸送體積，該體積是VADD＝dV*VPIPE/Vg2；其中VPIPE是導管運載氣體的總體積。除Vg2之外，VADD必須盡可能快地輸送。
在上述操作之后，如果需要從鉆井10，工作管柱16及接頭20和26中清除異物，如碎石，管道涂料等，則將工作管柱16中激勵流體的壓力降低，將清洗流體，如水，以一相對較高的壓力引入環(huán)形物28中。在到達鉆井10中低于接頭20和26的一個深度后，該高壓清洗流體與上述激勵流體方向相反地流動并進入閥接頭26的流道44的排放端。清洗流體的壓力迫使球閥46脫離與接頭26的流道42和44之間的臺肩的配合。球閥46和清洗流體通過通道42、噴射接頭20以及工作管柱46到達地面。清洗流體的這種循環(huán)將工作管柱16、接頭20和26以及鉆井10中的異物清洗出來。
圖4示出一激勵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖1-3中系統(tǒng)的一些部件，并給出相同的參考數(shù)字。圖4中的系統(tǒng)安裝在一地下鉆井50中，該地下鉆井50具有一從地面開始延伸的基本垂直部分50a，和一從部分50a延伸到一產(chǎn)生碳氫化合物的地下結構層52中的基本水平部分50b。如前述實施例中那樣，套管14從地面延伸到鉆井50a中。
圖4中的激勵系統(tǒng)包括一工作管柱56，該工作管柱56為管道或盤繞管的形式，從地面穿過殼體14和鉆井部分50a延伸進入鉆井部分50b中。如前述實施例中那樣，在地面(未圖示)將氣體如氮氣引入工作管柱56的一端；同時將上述的激勵流體泵入鉆井50的環(huán)形物中。管狀噴射接頭20的一端以上面所述的方式與工作管柱56的另一端聯(lián)接，用于以上面所述的方式將激勵流體接收和排放到鉆井部分50b以及結構層52中。閥接頭26與噴射接頭20的另一端聯(lián)接，并以如上所述的方式控制激勵流體流過噴射接頭。噴射接頭20和閥接頭26的各軸基本上在鉆井部分50b中水平延伸，因而當氣體被泵壓通過工作管柱56時，它進入噴射接頭20內部，并沿基本上徑向或角度方向穿過鉆井部分50b排放在結構層52上，用鉆井50中的氣體產(chǎn)生泡沫。鉆井的水平或偏斜部分是完全的裸眼，本實施例的操作與圖1中的相同?？梢岳斫?，盡管圖4中所示的鉆井部分50b基本上水平延伸，上述實施例同樣可用于與水平成一角度延伸的鉆井。
對于鉆井在其中垂直地、水平地或成角度地延伸相對較長距離的結構層，噴射接頭20、閥接頭26和工作管柱56可以初始地設置在鉆井的下端部分(即離地面最遠的部分)。上述的酸打點和擠壓過程可以在整個水平鉆井部分中重復多次，如每隔100到200英尺進行一次。
圖5中的實施例與圖1中相似，使用與后一實施例中相同的部件，這些部件給出與圖5中實施例相同的參考數(shù)字。在圖5的實施例中，設有一套管60，該套管60從地面(未圖示)延伸到形成于結構層12中的鉆井10中。該套管60在鉆井中工作管柱16及接頭20和26延伸部分的整個長度上延伸。因此套管60以及接頭20和26的軸線基本上垂直延伸。套管60必須用常規(guī)裝置預穿孔或穿孔；或者可以用噴射接頭20與沙子一起水力噴射?？蛇x擇地，在套管60內部可安裝金屬絲網(wǎng)篩并以本領域公知的方式用石子壓緊。然后起動結合圖1-3中的實施例描述的操作，及激勵流體與發(fā)泡氣體的混合物以一相對較高的速度排放通過孔22，通過套管60中的上述孔，打擊套管60，從而產(chǎn)生泡沫并以如上所述的方式對其進行擠壓。除此之外，圖5中實施例的操作與圖1-4中相同。
圖6中的實施例與圖4中的相似，使用許多與后一實施例中相同的部件，這些部件給出相同的參考數(shù)字。在圖6的實施例中，設有一套管62，該套管62從地面(未圖示)伸入形成于結構層52中的鉆井50中。套管62在鉆井中工作管柱56和接頭20、22所在的部分的整個長度上延伸。因此，套管62具有分別在鉆井部分50a和50b中延伸的一基本垂直部分62a和一基本水平部分60b。接頭20和26位于套管部分62b中，它們的各軸基本上水平延伸。套管部分62b必須用常規(guī)裝置預穿孔或穿孔；或者可以用噴射接頭20與沙子一起水力噴射?？蛇x擇地，在套管部分62b內部可安裝金屬絲網(wǎng)篩并以本領域公知的方式用石子壓緊。然后起動結合圖1-3中的實施例描述的操作，激勵流體與發(fā)泡氣體的混合物以一相對較高的速度排放通過孔22，通過套管62中的上述孔，打在結構層12上，從而以如上所述的方式對其進行斷裂和擠壓。除此之外，圖6中實施例的操作與圖1-4中相同。
可以理解，可在不脫離本發(fā)明范圍的前提下在前述實施例中作各種變化。例如，盡管上述技術中結合矩陣酸化沙石水庫而描述的，但可以理解，并不排除用氫氟酸進行矩陣沙石酸化，并可將與碳化水庫匹配的其它類型的酸用在碳化矩陣酸化中。同樣，環(huán)形物28中可使用多種其它流體，包括清洗激勵流體，化學控制粘土穩(wěn)定性的液體，以及普通低成本流體。此外，可在氣體泵入環(huán)形物28中時將流體注射通過工作管柱16。另外還可以確定，活性流體如酸的分配可以在井中的不同位置進行。為此，噴射接頭20的位置可以在圖1中所示套管14下方很遠處。另外，上述預沖洗和后沖洗流體可以是酸性或非酸性的。
同樣，由于許多原因，如降低成本和提高靜水壓力，可在進入套管14之前將氣體與一些液體預先混合。此外在本發(fā)明的范圍內可對激勵流體的構造進行改變。另外，鉆井的特殊定向可以從完全垂直轉換到完全水平。此外，接頭20中的孔22可用單獨安裝的由稀有材料如硬質合金混合物制成的噴嘴代替，用于提高耐久性。
雖然上面詳細描述了本發(fā)明的一些示例性實施例，但本領域技術人員很容易明白，在不實質上脫離本發(fā)明的新穎的教導和優(yōu)點的前提下，可進行多種其它修改。因此，所有這些修改都包括在由下面限定的本發(fā)明的范圍內。在如下發(fā)明保護范圍內，裝置加功能的條款用于覆蓋此處描述的實現(xiàn)所述功能的結構，不僅包括結構等同物，而且包括等同結構。
權利要求
1.一種激勵井下結構層的方法，該方法包括將多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位以便在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物，將一流體直接泵入環(huán)形物中，將一流體泵送通過這些噴嘴并進入環(huán)形物中，控制其中一個流體的壓力，使該流體加注該環(huán)形物而不流入結構層中，控制另一液體的壓力以便使其從環(huán)形物穿過進入結構層中，然后提高該一個流體的壓力，以使其與另一流體混合，并在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫，至少其中一個流體包括用于激勵結構層的酸。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，該一個流體是氣體或者含該酸的流體；另一流體分別是含該酸的流體或氣體。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，提高壓力的步驟使氣體或含酸流體產(chǎn)生一相對較高的排放壓差，在環(huán)形物中分別將含酸流體或氣體加速到一相對較高的速度，在流體與氣體之間產(chǎn)生一相對較高的剪切，從而形成泡沫。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，還包括將一預沖洗流體引入環(huán)形物中，及將一后沖洗流體引入環(huán)形物中。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，在提高壓力的步驟之前引入預沖洗流體，而后沖洗流體是在預沖洗流體之后提高壓力步驟之前引入。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，酸與形成通道的結構層壁反應。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，還包括改變該一個流體的壓力，從而終止或提高泡沫的形成。
8.一種用于激勵井下結構層的設備，該設備包括多個噴嘴，該多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，從而在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物；一將液體直接泵入該環(huán)形物中的泵；一將流體泵送通過這些噴嘴而進入環(huán)形物中的泵；用于控制其中一個流體的壓力從而使該流體加注該環(huán)形物而不流入結構層中的裝置；用于控制另一液體的壓力從而使其從環(huán)形物穿過進入結構層中的裝置；以及用于提高該一個流體的壓力，使其與另一流體混合并在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫的裝置；至少其中一個流體包括用于激勵結構層的酸。
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其特征在于，該一個流體是氣體，或者含該酸的流體；或者該一個流體是含該酸的流體而另一液體是氣體；其中提高壓力是使該氣體或含酸流體產(chǎn)生一相對較高的排放壓差，該壓力在環(huán)形物中分別將含酸流體或氣體加速到一相對較高的速度，在該氣體與流體之間產(chǎn)生一相對較高的剪切，從而形成泡沫
10.根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，還包括將預沖洗流體泵入環(huán)形物中的裝置，及將后沖洗流體泵入環(huán)形物中的裝置。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括用于降低該一個流體的壓力從而終止泡沫的形成的裝置。
12.一種激勵井下結構層的方法，該方法包括將多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，從而在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物，將一激勵流體直接泵壓通過該環(huán)形物，將一氣體泵送通過這些噴嘴進入環(huán)形物中，使該激勵流體與該氣體混合，在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫，從而被迫進入其孔隙中。
13.一種激勵井下結構層的方法，該方法包括將多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，從而在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物，將一氣體泵送通過環(huán)形物，將一激勵流體泵壓通過噴嘴進入該環(huán)形物中，使該激勵流體與該氣體混合，在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫，從而被迫進入其孔隙中。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的方法，其特征在于，對不同的酸性或非酸性流體實施組合，以有效地處理該結構層。
15.根據(jù)權利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，激勵流體與結構層反應，從而在結構層壁中形成通道。
16.根據(jù)權利要求12、13、14或15所述的方法，其特征在于，根據(jù)指令在井下形成泡沫，用于將隨后處理的流體分散到鉆井中的其它位置。
17.根據(jù)權利要求12至16中任一項所述的方法，其特征在于，泡沫質量在地面根據(jù)指令進行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及對地下井結構層進行酸激勵的方法和設備。其中將地下井結構層進行酸化從而通過下列步驟激勵碳氫化合物的生產(chǎn)，將多個噴嘴與結構層的壁成間隔關系定位，在噴嘴與結構層之間形成一環(huán)形物，將一流體直接泵入環(huán)形物中，將一流體泵送通過這些噴嘴進入環(huán)形物中，控制其中一個流體的壓力，使該流體加注該環(huán)形物而不流入結構層中，控制另一液體的壓力，使它從環(huán)形物穿過進入結構層中，然后提高該一個流體的壓力，使其與另一流體混合，并在混合物流向結構層之前產(chǎn)生泡沫，至少其中一個流體包括用于激勵結構層的酸。
文檔編號E21B43/26GK1425847SQ02143249
公開日2003年6月25日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權日2001年9月28日
發(fā)明者理查德·L·米德奧, 吉姆·B·蘇亞阿馬查 申請人:哈利伯頓能源服務公司