CN105026684A - 斜井筒的改进水力压裂方法 - Google Patents

Abstract

在设置有具有套管的斜井筒的烃储层中激发井段的方法，其中所述井段在所述井筒中包含至少两个没有隔离工具的相继的级，所述方法包括：i)引入第一级，ii)在同一井筒中引入第二级，其中所述第一级和第二级没有通过任何隔离工具隔开；和任选地，iii)从所述烃储层采收烃到地面。

Description

斜井筒的改进水力压裂方法

发明领域

本发明涉及不需要任何隔离或分流(diversion)工具，在地下地层中从穿透含烃地层的斜井筒压裂多个级的方法。

发明背景

在从井筒穿透的地下岩层开采烃的过程中，激发这种开采的普遍使用的技术是在所述地层中产生和延伸裂缝。最经常地，所述裂缝通过从穿透地下地层的井筒向其施加水力压力而产生。也就是说，压裂流体或压裂流体的组合以一定的速率和压力被泵过井筒并泵入待压裂的地层，使得施加于所述地层上的水力压力引起在其中产生的一个或多个裂缝和/或延伸所述地层中任何已存在的裂缝(天然或其它)。所述裂缝通过持续泵送而延伸，并任选所述裂缝是：i)由沉积在其中的支撑剂例如沙子支撑开，或ii)通过反应性流体例如酸刻蚀断裂面，借此地层中包含的烃容易流过所述裂缝进入井筒。

多种压裂技术已知用于激发烃采收。几种现有技术的例子在以下专利中提供：

例如，美国专利4,415,035(“'035专利”)教导了在单次压裂处理期间，不需要通过使用机械式封隔器、限流、封堵球、分流剂或如现有技术中教导的其他堵塞工具，而在与穿透地下地层的竖井连通的多个含烃地层中形成裂缝的方法(第2栏第26-34行)。'035专利还教导了全部级的射孔将在压裂流体引入竖井筒之前完成。这在本领域中称为“Hail Mary”压裂。'035专利只涉及竖井筒，没有水平或斜井筒的压裂的任何教导。井的几何结构在裂缝产生和扩展中发挥着重要的作用，这是已知的和意见一致的。

在1998年11月1-4日，加拿大Alberta，Calgary，SPE InternationalConference on Horizontal Well Technology(水平井技术的SPE国际会议)上，Love、T.G.等的"Selectively Placing Many Fractures in OpenholeHorizontal Wells Improves Production"教导了通过水力喷射技术压裂井筒的方法。所述技术包括利用酸压裂整个井筒。每次压裂后在井筒中插入砂丸，然后压裂下一个位置。虽然该论文宣称所述压裂方法不需要任何塞，但它为了建立和保持工作压力却需要砂丸(即分流或隔离工具)。此外，该参考文献要求在所述压裂方法之前穿透井筒中全部目标区域。

美国专利4,850,431(“431专利”)教导了从斜井筒或水平井筒形成多个隔开的基本平行裂缝的方法。在这种方法中，在斜井筒中放置套管，通过形成穿过所述套管并进入地层中的一组预定数量和尺寸的射孔，而在其中产生多个隔开的裂缝引发点。水力压力在预定条件下在所述裂缝引发点处施加于射孔，同时从所述斜井筒起在地层中延伸多个隔开的基本上平行的裂缝(即同时多级压裂)。

在整个井筒中在所述裂缝引发点处产生所述射孔组之后，隔离每个裂缝点处的每组射孔，并向其施加水力压力(第2栏第41-46行)。在连接第5和6栏的段落处，431专利声明这是最优选的技术。所述431专利中唯一的实例在第7栏第29-32行处专门陈述了“在将含有支撑剂的压裂流体泵入井筒之前，隔离裂缝引发点处的每组射孔...”。

美国专利4,977,961(“961专利”)教导了在水平井筒或倾斜井筒中产生平行竖垂直裂缝的方法。所述961专利教导了对于第二个射孔接着第一个射孔压裂水平井的两种方式。

所述961专利教导了以下步骤：

a)在第一射孔点处射穿套管；

b)在第二射孔点处射穿套管；

c)在第一和第二射孔处同时施加水力压力；和

d)将地层流体开采到地面。

另一种方法包括以下步骤：

a)在具有第一对射孔的第一射孔点处射穿套管；

b)施加水力压力以扩展裂缝；

c)隔离所述第一对射孔的流体连通；

d)在具有第二对射孔的第二射孔点处射穿套管；和

e)施加水力压力以在所述第二对处引发和扩展裂缝。

PCT申请WO 2012/054139(“139专利”)教导了在储层中产生裂缝网络的方法。该方法包括通过注入压裂流体产生裂缝、监测应力和然后通过在井筒中连续注入压裂流体扩展所述裂缝。该139专利还要求使用隔离或分流工具例如封隔器、压裂端口、机械塞、砂塞、滑动套筒、和本领域已知的其他装置。

激发从水平井筒开采的成本通常要求井的水力压裂激发(stimulation)是经济的。这些操作需要的水力压裂设备和井筒干预设备的成本经常基于所述设备在井位上的时间量，而与所述设备是否在使用中无关。如果可以减少在井位上的这种“备用(stand-by)”时间量，可以减少所述水力压裂激发的成本，并且在很多情况下是显著的。典型的水力压裂级可能花3到8小时或更长来完成。在这个时间期间进行的操作经常是井筒准备，例如在所述压裂设备停止和不开采时设置塞和对管射孔。设备供应者收取了该停工时间的备用费，或者他们可以每天收取设备的日价或统一价，不管所述设备是否在运行中。如果从开采路径中消除和/或去除设置塞和井筒射孔需要的时间量，亦即，在泵送水力压裂级同时进行这些操作的，操作者将很快完成所述压裂项目并且一种益处将是减少与所述方法有关的总成本。

有一种上面提到的方法在行业中称为及时射孔(Just In TimePerforating，JITP)。据我们的理解，所述方法需要机械隔离法以将压裂流体从一个射孔井段转到下一个。这些射孔用成型射孔弹或高速流体产生，例如水力喷射或磨料喷射方法。据我们理解，初始井段通过行业中了解的工具射孔。在通过套管中的这些孔(射孔)从所述套管到地下岩层中建立流体路径之后，通过以足够的压力将流体或气体泵入套管中开始水力压裂，以获得进入目的地带以激发流体或气体、即包含在其中的烃的开采。下一个步骤是现有JITP方法的第一部分。将射孔装置(例如：“选射(Select Fire)”电缆射孔(“射孔”)枪)拉上井筒到下一个目的区准备射孔操作，同时继续前一井段的泵送。

在多级水力压裂的传统应用中，下一步将是将射孔装置从井筒中完全拉出，除了在一些连续油管操作中，使用以足够的速率泵下连续油管的高速磨料流体产生射孔，以在套管中产生孔。在这种例外中，压裂流体可以只泵下环形路径、泵下油管、或经过共同的集管，亦即，油管和环形空间二者。所述JITP方法利用环形路径法(参见例如"Packerless Multistage Fracture-Stimulation method Using CTPerforation and Annular Path Pumping"，L.East，J.Rosato，M.Farabee，和B.W.McDaniel，SPE Annual Technical Conference and Exhibition(SPE年度技术大会和展示)，2005年10月9-12日，Dallas，Texas)以在电缆留在井筒中时继续所述压裂过程。所述环形路径在这种情况下是电缆和孔(例如开采套管)内径之间的环形空间。这种方法包括通过利用机械隔离/分流法、例如射孔封堵球(“射孔球”)的环形路径法来激发。射孔封堵球是强度足够的硬球，在那些对水力压裂和/或酸化具有知识的人所了解的高压激发操作期间，其将在从沿井筒进入目的区的方向的流动中密封射孔。

当足够的压裂流体已经按照泵送程序泵入目的区或在确定结束处理的时点(优选由监督所述处理者通过独立的方式确定)时，准备通过选射射孔对随后的目的区进行射孔。“选射”是油气提取工业的技术人员了解的术语，是能够用消耗性射孔弹多重操作的射孔装置(“射孔枪”)。在电缆上部署多个射孔枪，以允许通过电缆射孔行业的技术人员已知的技术进行多重射孔操作。每个射孔枪或是通过部署在从地面到所述射孔枪的电缆中的多个缆芯线按要求被选择发射，或是通过固定于所述电缆两端的网际协议装置，一个是地面上的发送器和一个是所述射孔枪处的接收器，按要求被选择发射。还可以实施在已经领域中的其他沿着井筒套管段形成多个井段射孔的方法。

因为射孔枪在第一步骤期间沿着井筒被拉到下一个目的区，所以所述射孔枪当发射时将恰好在流体或气体进入射孔的时间射穿下一个目的区。然而射孔枪直到前一井段已经机械封堵防止进一步注入压裂流体或气体为止才发射。应理解，要使用的密封方法是使用足够大小的射孔封堵球来封堵现有的射孔，但其要小得足以被经过所述电缆和射孔枪工具的激发流体带下套管。一旦这些射孔球密封现有的射孔并开始切断压裂流体流到前面的目的区，套管中的压力就由于所谓的射孔摩擦力而上升。对于熟知限流理论的人而言，射孔摩擦力随着进入射孔的流量增加而增加。通过射孔球密封射孔迫使多余的流体进入其余未密封的射孔。这在地面上作为表面处理压力增加而看出。在这种情况下，随着压力在井筒中开采套管的工作极限内增加到预定压力，操作者得到警告这是发射他们的射孔枪的时候了。一旦到达这个压力，射孔枪发射，在最接近下一个目的区的套管中产生新的射孔，并且如果部署了足够的射孔球的话，前面区中的全部射孔现在都被堵住了。所述压裂流体或气体在不需要改变在地面上需要的速率下进入新的井段。

如上面论述，在压裂之前，现有技术需要使用隔离或分流工具将一个级与另一个隔离。在每个级使用隔离或分流工具在财务和时间二者上都是昂贵的。在典型的井筒布局中与部署、设置和除去塞有关的成本可以高到$1百万/井筒。已知除去塞比设置塞更昂贵。通常所述塞必须在开始烃采收之前从井眼中钻出或以其它方式取出。涉及塞钻出的时间也是昂贵的。此外，在钻井操作期间利用柴油燃料或其他烃能源用于驱动泵和机器以除去塞和相关废物可能对环境具有负面影响。

与现有技术方法有关的一些成本包括(但不限于)：设置桥塞的成本；桥塞的成本；钻出桥塞的成本；地面设备的成本；泵送的流体加上消耗品例如钻头、马达等的成本；和推迟烃开采的货币时间价值。

因此，需要一种在烃地层中生成多个裂缝点的方法，其具有更高的效率、和任选较低的成本、并还任选对环境的有害影响较小。本发明提供了从单个斜井筒形成多个裂缝的改进方法。

本发明提供的方法是上述方法的改进。这种方法在一种实施方式中节省了操作者实行以下步骤通常需要的停工时间：

a)将所述电缆部署的射孔枪拉到地面；

b)处理井筒以隔离前面的射孔段；和

c)在处理完成之后重新部署射孔枪。

发明内容

以下术语在本文中用于更好地理解本发明：

井段-在其中没有任何隔离或分流工具的多个级。

级-由具有开始和结束的一系列活动构成的离散事件。通常级包括井筒套管的射孔和在接近所述射孔处压裂。

隔离工具-用于一个或多个级与另一个级隔离的装置，以便在预定间隔下的适当时间隔离、限制或直接接受压裂流体。

隔离工具的例子包括但不限于：

桥塞-横截面是实心的，具有与井筒套管内径(ID)接触的密封元件，提供液压密封，其中按照设计，流体不能从所述塞的一侧运送到另一侧。

压裂塞–固体心轴，其具有通过中心的管道以允许沿一个方向或两个方向流动。最终，在激发操作期间，只允许沿一个方向流动。在井筒具有一个地面入口点的情况下，压裂塞不允许从地面流过所述装置，但将允许从所述装置下面沿朝着地面的方向流动。使用的各种机制是油田工具和套管附件领域中熟练技术人员已知的，是各个油田服务性公司提供的射器(dart)、止回阀、球和球座、球阀、笼形球。

砂塞(砂丸)-早期的有关在竖井套管中放置砂的文献称之为“松岛(Pine Island)”技术。砂通过各种手段放置以在现有的入口点上方、下一个或随后的级下方形成限流。在所述松岛技术中，砂与水混合并倾卸到井套管中，使得它将落入井的底部，覆盖现有套管入口点，在这种情况下是管中的射孔。在水平井筒的情况下，通过混合并经过所建立的管形管道泵送砂来放置砂塞，所述管道的底端在现有套管入口点附近。允许井流体在管道之间流通，所述管道或者在管井套管环形空间中向上，或者当在井管套管环形空间上泵送时沿所述管向上。一旦就位，砂塞提供了足够的流体流动阻力，使得底下的套管入口点与接受附加的激发流体相隔离。

固体堵塞材料

射孔封堵球-刚性球形装置，其设计成跟随激发流体到井套管中的开口处，在此它们有效地嵌入，限制额外流体的流动。使得所述开口与从该点引入至井套管的大部分流体隔离，直到从所述开口释放或者它失去它的固体形式，如作为"BioBalls"^TM销售的Santrol产品的情况。早期的装置被称作RCN Perfpac球，RCN是橡胶涂层尼龙。

岩盐-分级的水溶性盐，其将桥接所述井套管中能够接受流体的任何开口。一旦就位，所述材料限制随后的流体流进入所述入口点。所述例子之一是作为TBA-110或以各种其他商品名销售的。另一个例子是苯甲酸薄片-或者可溶于水或油、或通过任何手段及时丧失其固体形式的任何其他固体材料。这种材料如同该类别的所有其他材料一样，隔离能够接受流体的任何开口。这可以作为TLC-80销售。

在所述井套管中现有入口点直接相对或之上的位置处引入井套管的任何材料或装置，意图在于将流体分流经过所述入口点，或停止流体进入所述井套管入口点。例子可以包括：封隔器，钢丝塞，滑动套筒等等。

井套管-充当石油井筒的管道和衬里或阻挡层的任何装置或方法，防止所述井筒坍塌，保护地下水免受污染、安全进行钻孔和地下流体到地面。例如但不限于，固结在位的钢管。

压裂或破碎流体-水以及一般油气井激发领域和科学中的熟练技术人员已知作为压裂流体的含有各种化学和矿物添加剂的水。所述破碎流体，也称为压裂流体或激发流体，可以包括各种工业气体，例如二氧化碳、氮气、或天然气例如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷的各种组合物、或液态烃例如矿产原油(lease crude)、或柴油。

“塞和射孔”-用于压裂烃储层的许多方法之一。用于塞和射孔工作的井筒通常由注水泥(cemented)或未注水泥的标准钢套管接头构成，其在钻井过程结束时设置就位。一旦移走钻机，就利用电缆绞车在井的末端附近射孔，然后泵送压裂工作(通称为级)。一旦所述级结束，电缆绞车将在井中设置塞以暂时封堵该段，然后对所述井筒的下一段射孔。然后泵送另一个级，沿着所述井筒的水平部分的整个长度根据需要重复所述过程。

入口(入口点)-这是井筒与地层之间的连通点。所述入口点可通过本领域已知的任何工具产生。例如，但不限于，它可通过使用射孔枪或其他工具射孔制成。所述入口点可具有通过井筒套管的至少一个通路，或具有通过所述套管的多个通路，也称为簇。所述多个射孔可以在沿着套管长度成一行、沿着所述套管的直径彼此相对、和/或以与地层中的目的点对应的特定方向布置，或可以在整个所述套管中随机布置。

地层-地下地带，例如包含烃矿床的岩石或页岩开发。

本发明的方法减少和/或消除了使用隔离塞(或分流工具)，虽然不限于这种机制，但认为这是依靠压差/岩石应力改变以将所述压裂流体自然分流到新的射孔中。

本发明的方法，在一种实施方式中，通过在新的射孔中引入压裂流体以在所述新射孔中激发新的裂缝，因此激发新的岩石/页岩(产生新裂缝)，而不是让压裂流体进入前面的裂缝而不通过所述新射孔激发岩石/页岩。这在不需要现有技术所需要的隔离或分流工具下完成。

根据本发明的一个方面，提供了在地下烃储层的烃采收中从斜井筒激发新的井段的方法。所述方法包括在没有隔离工具下将至少两个相继的级引入所述井筒中。所述方法包括以下步骤：

i)通过如下引入第一级：

a)产生穿过井筒套管进入烃地层中的第一入口点；

b)以预定的速率和压力向所述第一个入口点引入至少一种压裂流体，以在所述地层中邻近所述入口点处产生至少一个裂缝，以激发从所述烃地层的烃开采；

ii)通过如下在同一井筒中引入第二级：

a)在邻近所述第一级处，产生远离所述第一入口点、穿过所述井筒套管进入所述烃地层的第二入口点；

b)以预定的速率和压力向所述第二入口引入至少一种压裂流体，以在所述地层中邻近所述入口点处产生至少一个裂缝，以激发从所述烃地层的烃开采；

iii)通过本领域已知的工具从所述烃储层回收所述烃。

根据本发明的另一个方面，提供了不需要任何隔离或分流工具，在穿透地下烃地层的井筒、优选斜井筒中压裂多个级的方法。在一种实施方式中，所述方法包括：

i)将基本上竖直的井筒钻入所述地层中，偏斜所述基本上竖直的井筒以从所述基本上竖直的井筒上以基本上平行于地面的角度和方向形成斜井筒；

ii)在所述斜井筒中引入套管；

iii)通过产生穿过所述套管进入地层的入口点引入第一级；

iv)优选以预定的速率和压力向所述入口点引入至少一种压裂流体，以在所述地层中邻近所述第一级的所述入口点产生至少一个裂缝；

v)通过产生穿过所述套管进入地层的入口点引入第二级；

vi)优选以预定的速率和压力向所述入口点引入至少一种压裂流体，以在所述地层中邻近所述第二级的所述入口点产生至少一个裂缝；和

vii)从所述地层采收烃，

其中所述第一级和第二级彼此不隔开。

在优选实施方式中，监测所述井筒的压力条件以确定完成第一级和开始形成第二级的时刻。

在又一种优选实施方式中，支撑剂与压裂流体一起引入，以支撑地层中的裂缝。

优选地，所述斜井筒基本上水平地或以与起初基本上竖直井筒的跟部呈最多45°的任何操作角度延伸。更优选地，所述斜井筒基本上水平地延伸或以与竖直井筒基本上90°、优选+/-10°、更优选+/-5°的任何操作角度延伸。或者，所述井筒可以是可变几何形状的，并且它的基本水平部分可改变它的方向和仰角。

优选所述入口点在基本上垂直于所述井筒套管方向上包含至少一个射孔。更优选地，所述入口点包含多个射孔。所述一个或多个射孔可以沿着所述套管的长度、或沿着所述套管的周边布置。在另一个实施方式中，任何射孔的方向可以从基本垂直变化，以允许压裂流体进入地层，以便在邻近所述射孔的地层中引起或扩展裂缝。

优选地，所述压裂流体可以包含至少一种液体、气体、或其组合，优选具有至少一种固体。虽然几种类型的压裂流体组合物可以通过所述入口点顺序引入到地层，但在优选实施方式中，所述压裂流体还可以包含支撑剂以支撑所述裂缝。支撑剂的例子包括但不限于，天然砂、人造陶瓷、铝矾土等等。

优选地，烃采收过程包括：

i)终止压裂流体注入；

ii)降低井筒处的压力以允许烃从所述地层中的裂缝经过所述射孔进入井筒；

iii)任选地将所述烃传送到地面；和

iv)收集所述烃。

优选所述烃采收过程利用采收设备实行，所述设备可以包括电、机械、有源或无源设备。在一些情况下，一部分或全部的烃可以通过因引入所述压裂流体而在井筒中蓄积的最终压力来采收。

根据本发明的又一个方面，激发新井段包括引入没有通过任何隔离工具隔开的至少两个级。在一种情况下，级的范围可以包括三到三十级之间，或更多(如果需要的话)。井段中的级数可以取决于地层类型、井筒长度、地层总厚度、井和井筒与其他井和井筒的接近性。

根据本发明的又一个方面，在斜井筒中提供至少一个井段，所述井段包含：

第一级，具有射孔的和压裂的入口点，和第二级，优选具有与所述第一级入口点离散和隔开的射孔的和压裂的入口点；其中所述第一级和所述第二级彼此不隔开。优选所述井段包含至少三个连贯的级。

根据本发明的又一个方面，提供了激发烃储层的方法，所述方法包括根据上述方法激发至少两个井段，其中所述至少两个井段包含至少两级，优选至少三级，并且其中所述至少两个井段通过隔离工具隔开。在烃采收之前，改变所述隔离工具，以允许从所述井段流入井筒，优选从井筒除去所述隔离工具。

根据本发明的又一个方面，提供了在烃储层中在基本上水平的井筒中激发新井段的方法。所述方法包括在所述井筒中引入两个或更多个相继的级，在所述级之间没有隔离工具，所述方法包括：

i)如下引入第一级：

a)产生穿过井筒套管进入烃地层中的第一入口点；

b)优选以预定的速率和压力向所述第一入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

ii)如下在同一井筒中引入第二级：

a)产生邻近所述第一级、穿过井筒套管进入烃地层的第二入口点；

b)优选以预定的速率和压力向所述第二入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

其中所述第一级和第二级不通过任何隔离工具隔开。

在另一种实施方式中，激发烃采收的方法还包括在相同的井筒中如下引入一个或多个连贯的级：

a)产生邻近前面的级、穿过井筒套管进入烃地层的至少一个连贯入口点；

b)优选以预定的速率和压力向所述连贯入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

d)终止激发以允许烃采收；和

e)通过本领域已知的工具从所述烃储层采收烃；其中所述第一级、第二级和所述一个或多个连贯级不通过任何隔离工具隔开。

每级的长度将由井筒的全长、井筒的位置和地层特性决定。优选每级的长度可以从约10至约300米，更优选约100至约200米。

级之间的井段可为预定长度，优选从约10至约100米，在另一种情况下，所述井段也可超过100米。

每个入口点之间的距离可以通过本领域中有相关知识人员已知的技术决定。这些技术可以包括，但不限于认为对于有效激发烃开采所必需的分析或数值模型或模拟实验室模型。这样的模型可以包括，但不限于裂缝生长模拟以及经济评价，例如基于使用的商品和服务的成本以及天然气和/或油的当前或未来的售价进行净现值或投资回报率计算。优选地，每级中每个入口点之间的距离可以最多25米。例如，井筒中1000米井段可以具有10级，100米/级，每级包含少至一个和多至10个或更多个入口点。

优选地，每个入口点包括至少一个射孔或进入的点。更优选每个入口点包括一簇或多个射孔，它们彼此以预定距离彼此邻近。优选所述簇中的每个射孔在相同的井筒中以彼此小于一米的距离布置。

根据本发明的又一个方面，提供了不利用隔离工具，在烃矿床中从水平井筒中的井段压裂多个级的方法。隔离工具的例子包括但不限于封堵球、机械式封隔器、或颗粒状桥堵材料，或如本文中论述的任何其他隔离工具或机械工具。

所述方法包括以下步骤：

a)选择适合于不使用隔离工具而进行压裂方法的井筒；

b)在所述井筒中选择适当的级位置，任选地根据地震和/或其它测量和研究，例如但不限于地球物理学、岩石物理学、石油地质学、构造地质学和油藏工程；

c)在所述井筒的第一级的第一开口处提供至少一个射孔，优选一组射孔；

d)将至少一种激发流体或系列激发流体泵入所述至少一个射孔中；

e)观察在所选的级中的注入速率和压力；

f)在所述井筒中选择适当的级位置，任选地根据地震和/或其它测量和研究，例如但不限于地球物理、岩石物理、石油地质、构造地质和油藏工程；

g)在所述井筒的连贯级的连贯开口处提供至少一个射孔，优选一组射孔，而不使用隔离工具，

h)将至少一种激发流体或系列激发流体泵入所述至少一个射孔中；

i)观察在所选的级中的注入速率和压力；

j)任选重复步骤(f)至(i)，在所述级之间没有隔离工具。

本发明通过减少进行压裂操作所花费的时间；和/或通过减少非泵送时间，所述非泵送时间通过减少和/或消除在级之间放置隔离或分流工具例如塞的要求而获得；和/或通过减少和/或消除在烃开采之前除去所述塞的需要，而导致有效准备烃储层以进行烃开采。

优选地，根据本发明，所述水力压裂方法包括在不需要分流或隔离装置下压裂至少两个级。例子包括，但不限于封堵球、混凝土塞、桥塞或砂塞。

优选所述压裂流体以一定流体注入速率引入，压力限度由现代井筒建造方法决定。预计的地面井口压力取决于井筒深度和井筒长度。所述井筒深度影响预计的井底注入压力和所述井筒长度影响在规定的注入速率下必须克服的总流体摩擦力。在地面下约2500米和横向长度约2500米的井筒通常的表面压力可在约大于15MPa至约100MPa，更优选从约35MPa至约65MPa。此外，所述压力也可以取决于井筒所处的地层。引发和延伸水力压裂所需要的井底注入压力取决于现场岩石性质，包括区域性构造应力。这些值可通过水力压裂处理设计工艺中的技术人员利用石油物理、声波、核电井筒测量以及石油和构造地质学和地球物理学的知识，进行大致估计。本领域的普通技术人员将调节引入方法、注入速率与流体组成和体积以及油田支撑剂的量和浓度以允许足够的烃开采激发和采收。

优选所述压裂流体以从每分钟约一立方米的速率引入，所述下限由在含烃地下岩层内的水平井筒的激发领域中有知识人员通过在含烃地下岩层内或与其直接相邻有效产生水力压裂开口所需要的最低设计速率决定，至每分钟约18立方米或更大，所述最高注入速率仅由可用的地面泵送设备输送压力和速率限制和套管安全工作压力限制，更优选每分钟5至15立方米。

根据本发明的又一个方面，所述激发或压裂流体任选包含示踪剂或标记物，优选放射性物质，以帮助监测井筒中的运行状态和确定本发明压裂方法的有效性。

优选地，所述水平井筒在所述第一级之后的至少两个级在不利用常规分流技术的情况下压裂，并且通过借助油气业中称为地听器的商业地球物理排放物记录装置记录激发操作期间的微震排放物、以及通过业内能够检测γ射线谱以确定所述γ发射同位素、优选钪、铱和锑的存在的一种或多种已知方法来记录激发操作后矿床中γ发射示踪元素指标的存在，来观察所选择的级中注入速率、流体路径和压力的至少一种，从而选择所述随后的级的位置，所述记录装置以聚焦阵列部署在地面上或通过已知的工具和实践部署在竖直和/或水平井筒中。

根据本发明的又一个方面，提供了连续压裂方法。一旦已经通过按照如上所述的泵送程序确定或通过根据井处理响应决定当前的级应该停止，则射孔枪将发射，同时泵送继续。已经观察到这种方法导致新打开的射孔收纳大部分进入的压裂流体。通过压力速率响应已经观察到，如果小于80％的压裂流体进入本发明的新射孔，则最后一级的射孔将按照计划泵送，然而，在该级处，将需要隔离工具或分流工具来继续本发明的方法。在该级，泵送将停止并且从井筒中拉出电缆射孔枪。然后将由水平堵塞和射孔操作的有知识人员进行堵塞和射孔操作，完成准备。

令人惊讶地，所述新方法导致所述压裂方法的实质改进。在一个例子中，在Horn河盆地的页岩气井已经在不需要机械隔离下激发，引起出乎意料的积极结果，在下面更详细论述。因此，本发明也适用于连续压裂方法。

在一种情况下，本发明是用于水平/斜多级压裂操作的连续方法。所述方法可以在连续压裂激发方法中利用电缆部署的选择发射型射孔装置，而在所述激发方法期间不用机械分流器或隔离工具。然而，这些分流器可以在计划或未计划的泵送操作停止之后部署。行业中公知的是，当需要分流时，需要使用油气业中已知的机械装置例如射孔封堵球、桥塞或封隔器以将前面的压裂井段与当前的压裂井段隔离，并且这些装置计划在每个相继的水力压裂激发级完成之后部署。本发明在实际应用中减少了这些工具的使用频率和/或消除了这些机械分流方法。

在描述多个射孔继之以单个压裂事件的现有技术中，在井段中仅具有一级。在本发明中，每个井段中具有最少两级(多于一级)。

在油井套管中产生一个或多个入口点以提供直接进入相邻的含烃地下岩层之后，级开始，并且以在所述油井套管中进行水力压裂激发活动产生随后的入口点而结束。对于油气井激发活动的熟练人员而言，级定义为与其他物理井活动顺序进行的活动，所述活动经常重复，目的在于获得期望的井响应。在水平井筒水力压裂激发操作的情况下，所述级以将超过天然未激发的开采速率的速率下，从含烃储层岩石激发开采。

在该操作中施行的级数仅由与所述含烃储层相邻布置的井筒的尺寸约束所限制。在现有技术中，在25米至150米上下之间的目的区上施行级顺序，可用的水平井筒长度在1000米和3000米长度之间。例如：1000米水平井筒可以用10级激发，级长度为每级100米区和每25米一个入口点，每级总共4个入口点。另一个例子可以在长度为2000米的水平井筒中施行相同的级数，每级200米和每20米一个入口点，每级总共10个入口点。

在一种实施方式中，本发明的方法可以应用于至少两级。也就是说，在传统的塞&射孔级之后，可以实行至少两个“无塞”级。塞可以放置在所述无塞级之后的孔上，其余级可以用传统的塞和射孔、或用无塞级或无塞和射孔&塞级的组合完成。

在本发明的另一种实施方式中，整个井可以完全用无塞级激发烃采收。

在本发明的另一种实施方式中，井可以用无塞级完成，直到表面压力和速率测量提示压裂流体进入前面的级，或者并没有在所述激发方法中产生水力裂缝，而是压裂流体进入地下岩层中的断层，抵消了继续所述激发方法的效益，因为激发断层的效益是不确定的、不希望的或无效的，在该点处所述无塞方法应该中止。在这种情况下，塞将在末级之后运行并且所述方法将用无塞级继续，直到再一次压力和速率测量提示所述方法应该再次中止并应用传统的塞&射孔。

在本发明的另一种实施方式中，射孔可以置于井筒内的任何位置。在一个例子中：根据从井筒的底部或趾部段朝所述井筒的横段的跟部相继的级递增而传统上被称为三区的井段可以在传统上作为二区布置在井筒中的井段之前进行射孔，二区将在比三区更靠近趾部的位置。一区传统上是最接近可到达的套管井筒的趾部或最深部分的第一个井段。二区传统上是所述套管井筒中在所述井筒的预定位置处的下一个井段，经常在固定长度的等距井段处。所述区从所述套管的趾部至上面最可到达的部分相继地以数字顺序这样命名(1，2，3，4...40)。这些区的数量从早期开发Barnett页岩中施行的只有两个井段增加到多至40个或更多区。在本发明中，当应用所述无塞压裂方法时三区井段位置现在可以被认为是按序的二级，即使它在基于井筒长度的三区位置中顺序地布置在所述井筒内。一旦该二级压裂处理泵入该三区位置，三级井段将在二区位置处射孔，该步骤与根据现有技术的正常顺序相反。当与需要从可到达的套管井筒的趾部到跟部段顺序开展的传统塞和射孔方法相比时，这种无塞压裂方法的一种益处是它为操作者提供了不按顺序施行压裂处理的机会。通常，操作者不会在井筒中放置机械塞，然后钻出并工作，这与本发明的实施方式建议的相反。这种不按顺序压裂方法的其他益处考虑了当在现有水力压裂之间布置裂缝起始点时地下岩层将响应水力压裂诱导应力的方式和裂缝将会发展的模式。发明人认为通过在现有水力裂缝内布置水力裂缝起始点将利用压裂地层内的改变的应力场，导致当与传统的顺序压裂方法相比时，激发的储层体积的改进。这种方法是新颖的，因为没有使用水力或机械分流方法或隔离工具，允许压裂流体沿着井筒进入各种位置。

在另一种实施方式中，这种方法容易地用作现有井筒的重复压裂应用。这些现有井筒可以已经用所述塞&射孔法或用于套管水平井的各种其他多级压裂法的一种进行激发。也就是说，注水泥的套管的单筒、注水泥的套管的内衬或未注水泥的套管的井筒，例如通过商品名称为Packers PlusBaker FracPoint^TM等的那些，它们利用机械隔离法，以机械套管外封隔器、岩石封隔器、和可溶胀封隔器的形式部署在套管上。或者在有些情况下，在所述套管柱的外部没有部署机械隔离法。另外，这些方法使用内部分流装置(例如球活化的滑动套筒)以将流体分流到沿着套管柱的各个区。其他多级法可以利用射孔封堵球作为主要分流方法，或者完全没有分流，例如经常称为“Hail Mary”压裂，其中整个井筒或一部分井筒被完全射孔并且被引入所述井筒的压裂流体进入所有井段的能力像美国足球中“HailMary”传球那样的危险。

在用这种无塞压裂发明重复压裂操作期间，操作者可以将压裂流体引入所有现有的射孔中以充分压迫前面的水力压裂井段。在另一种实施方式中，他们可以对未射孔区射孔，然后开始所述方法。一旦已经泵送足够体积的压裂流体，现有射孔之间的下一个井段将被从趾部至跟部或以如上所述的倒序、或以认为适合于引起从地层烃采收的任何顺序进行相继射孔和压裂。在井筒内存在其他方法例如球活化的滑动套筒或其他级工具的情况下，射孔可以在所述级工具之间的任何点处引入。

当结合附图阅读下面优选实施方式的描述后，本发明的其他和进一步的目的、特征和优点对本领域技术人员将容易地是显而易见的。

附图说明

图1是根据本发明的井筒中井段的示意图，所述井筒具有没有通过塞或隔离工具隔开的三个级。

图2是现有技术的示意图，具有通过塞隔开的三个压裂级。

图3是现有技术的示意图，描绘了采收级之前塞子的去除。

图4是现有技术方法和本发明的方法之间比较的例子的示意图。

图5A-F是本发明的产生井段的步骤示意图，所述井段具有没有通过塞隔开的三个级。

图6是井的两段的示意图，由本发明的塞隔开。

图7是未注水泥的井筒中现有技术方法的示意图。

图8是本发明的未注水泥井筒中压裂方法的示意图。

图9A-B提供了井c-E1-J/94-0-8的微震数据的图示。

图10A-B-C提供了井c-C1-J/94-0-8的微震数据的图示。

图11描绘了级11、12和13的数据，所述级是RA示踪的，以示踪利用本发明引入的压裂流体的分布。

图12描绘了来自井c-E1-J的完井试验的生产测井。

具体实施方式

图1是根据本发明的多级压裂方法的示意图。可以看出，井筒20具有从竖段22延伸的水平段24。井筒20配备了超出地面10的井筒的“圣诞树”段21。页岩11下方的地下存在含烃储层112，其是烃采收的目标。水平段24在井筒20的跟部23和趾部27之间延伸。水平段24具有注水泥26的套管25。描绘了压裂操作的两个完整的级，级201和级202。级201具有由射孔30和31构成的入口点39，以允许用压裂流体34压裂烃储层112，产生裂缝32和33。级202具有存在射孔40和41的入口点49以及裂缝42和43。图1中射孔30、31、40、41、50和51通过本领域技术人员已知的工具例如射孔枪产生。级203描绘了通过射孔50和51经入口点59引入压裂流体34的过程，产生激发压力，引起储层112中的裂缝。图1示出了具有没有通过任何分流工具隔开的三个级201、202和203的井段。在这种情况下，级201和202隔开预定长度29。

图2是现有技术的传统“塞和射孔”方法的示意图。有两个压裂的级，101和102，以及被射孔并且正进行压裂的第三级103。根据这种方法，储层112具有包含套管125和注水泥套管126。在第一级101中，产生射孔130和131，然后引入压裂流体134以产生裂缝132和133。在级101完成之后，这种“塞和射孔”法需要布置第一塞28。布置塞28之后，级102被射孔以产生射孔130和131，然后引入压裂流体以产生裂缝132和133。完成级102的压裂之后，第二塞28布置在级102之后。继续这种“塞和射孔”方法，直到水平井筒的全长被压裂并激发储层112供烃开采。

图3示出了所述“塞和射孔”方法已经完成之后的图2并且显示了完全激发的井124。所述井具有注水泥126的套管125。井124由几个级101-105组成，每个级由塞28隔开。于是，为了从储层112采收烃，塞28必须通过钻孔设备70的机构钻出。这种“塞和射孔”现有技术方法包括多个步骤，给所述方法增加了时间和成本。例如，如上所述，需要盘管或其他机械钻出装置除去塞(在此是5个塞)。

图4示出了传统压裂方法与本发明比较的试验。

图5A-D示出了不需要隔离工具形成多个级和压裂每个级的本发明。井筒22具有水平段24和圣诞树段21。图5A示出了在井筒24中引入穿过套管25的入口点39，所述入口点接近趾部27并远离跟部23，提供了烃储层20的入口。在这个例子中，入口39由射孔30和31组成。图5B示出了由通过第一入口39的压裂流体34压裂烃储层20。通过第一入口点39引入压裂流体34，产生裂缝32和33，生成第一级。图5C示出了开始第二级，所述第二级与所述第一级连贯并且没有通过塞与第一级隔开。产生具有射孔40和41的第二入口49，然后邻近第二入口点引入压裂流体34以产生裂缝42和43(参见图5D)。图5E和5F示出了与所述前面的级连贯并且没有通过塞或分流器与前面的级隔开的第三级。该第三级由产生与射孔50和51一起产生的第三入口点59并然后压裂以形成裂缝52和53组成。这种方法可以通过引入其他级继续，其中所述级没有通过任何塞隔开。

图6示出了第一井段271，其包含几个连贯级201、202、203和300的组，所述井段与第二井段272通过塞28隔开。第二井段272包含三个连贯级201'、202'和203'，再一次没有通过任何塞隔开。所述井筒的套管225是注水泥226的。

每个井筒224可以包含通过塞隔开的多个井段，同时每个井段可以包含没有通过塞隔离的多个级。每个井段中的级数可以基于烃储层的地质限制、井的运行条件、操作者的操作决定或本领域技术人员已知的其他条件而变化。

图7示出了现有技术的另一种实施方式，其中井筒324是未注水泥的。未注水泥的井筒324具有套管外封隔器327以将级301彼此隔开。在未注水泥的井筒324中的这种“塞和射孔”法还需要在每个射孔330已经压裂332之后布置塞328。桥塞328用于在套管325内部的压裂级之间引分流体334。桥塞328在采收烃之前必须除去，除非使用的是压裂塞。然而，操作者经常钻出压裂塞以改善流动特性。

图8示出了新方法，其中与图7描绘的现有压裂技术相比，桥塞328的数量明显减少。在本发明中，桥塞328在5个压裂级之后引入。级301、302、303、304和305的每一个包含射孔步骤330、340、350和分别通过压裂流体334的压裂步骤332、342、352。在泵送几个压裂级之后，可能需要桥塞328，以便一旦前面裂缝的损失变得不能接受，增加进入新射孔的流量。或者，压裂步骤的有效性与效率可从记录微震事件监测。监测井中的微震事件可从最接近的排水井(offsetwell)或通过本领域已知的其他手段进行。

图8中示出的新方法减少了井筒中桥塞数量，因此有效减少了停工时间和与布置和除去塞有关的成本。

实施例

在以下实施例中，在具有套管的水平井筒中进行传统的“塞和射孔”，然后是本发明的方法，以评价其可行性。现在参考图4，进行以下活动：

级101、102、103直至300利用现有技术“塞和射孔”产生，然后压裂，在每个级之间利用塞28。

完成压裂级300后，塞28被引入井筒124。井筒124具有注水泥126的套管125。级201被射孔230和231和压裂232和233，然后是级202和203的射孔241、240、251、250和压裂242、243、252、253。R/A示踪剂在压裂期间泵入(未显示)级202和203中。使用三种示踪剂：在试验级202中1种同位素和在试验级203中2种同位素。在这些级中发现R/A物质的2种同位素，指示利用本发明的所有级中的射孔并确定压裂范围，其导致所有井段201、202和203的激发。

在两个示例井中在非连续的基础上施行这种操作。在这些示例井中，泵送程序是使得三个目的区在它们之间没有任何塞的情况下进行射孔。放射性同位素和微震水力压裂测绘证实了本发明方法的成功。

现在参考图9A、9B&10A、10B、10C-选择两个井(c-C1-J/94-0-8和c-E1-J/94-0-8)测试本发明。选择井C1中的级11、12和13和井E1中的级12、13、14。使用微震和放射性物质测定每个“无塞”级的有效性。所有试验级按计划泵送，在级12和13中观察到一些注入速率和压力差异，表明一些压裂流体从前面的级进入开放的射孔。

微震事件提示，在新的射孔周围区域中沿着所预测的最大水平应力的方向产生新的被激发储层体积。还测量整个试验射孔周围的区域中的放射性同位素，并将物质最高浓度关联泵送到“无塞”试验级的级流体。

第一井：

参见图9A和9B

无塞压裂试验，井c-E1-J/94-0-8，Muskwa级12、13和14微震事件记录的c-E1-J/94-0-8 Otter Park A井具有以下技术规范：

·级之间没有设置塞

·5个射孔簇/级

·125m级井段

·150T砂，每级3375m³

·现场处理的数据

·相对新的射孔记录了微震事件、有色点，而前面的级井段相对的事件很少。如图9B中最佳示出的，级13的大部分事件远离级12的大部分事件。以相同的方式，级14的大部分事件远离级13的大部分事件。

图12表明了井c-E1-J的级12、13和14的开采率。这些级没有通过任何分流工具隔开。所述三个无塞级的开采率大于整个井筒的平均开采率。

第二井：

参见图10A、10B、10C和11

无塞压裂试验，井c-C1-J/94-0-8，Muskwa级11、12和13微震事件记录技术规范：

·级之间没有设置塞

·5个射孔簇/级

·125m级井段

·250T砂，每级3375m³

·现场处理的数据

·如图10C中对于级13和12最佳示出的，相对新射孔井段记录了微震事件并且前面的级井段相对的事件很少。

在图11中可看出，放射性示踪的级11、12和13表现出引入所述级中的压裂流体有利的总体分布。

如果通过观察压力和速率响应确定大部分流体在按计划泵送操作期间进入新的射孔井段，那么该级则按计划结束，在下一个目的区相对的射孔枪发射而终止，同时泵送继续。

然而，如果确定泵送流体进入新射孔的百分比不足，并且期望继续泵送的话，可以在下一个目的区发射射孔枪之前，将颗粒状分流材料引入压裂处理。这种分流材料不是射孔封堵球或其他用于封堵向下方区的流的机械工具，其允许进行连续泵送操作。当这些颗粒状材料到达所有射孔井段时，将充分减少进入这些前面射孔井段的流体注入，以供一旦所述材料移过下一个目的区时继续在下一个射孔井段进行压裂操作。一旦所述颗粒状物清除了下一个目的区相对的射孔工具，则所述枪发射，产生新的射孔并且在不停止泵送下继续所述无塞方法。

因此对本发明在不背离其范围下可以对优选实施方式进行许多改变。认为本文中包含的全部内容被认为是本发明的说明而没有限制意义。

Claims (20)

1.在设置有具有套管的斜井筒的烃储层中激发井段的方法，其中所述井段在所述井筒中包含没有隔离工具的至少两个相继的级，所述方法包括：

i)如下引入第一级：

a)产生穿过所述井筒套管进入烃储层中的至少一个入口点；

b)向所述前述的入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃储层的烃开采；

ii)如下在同一井筒中引入第二级：

a)产生邻近所述第一级、穿过所述井筒套管进入烃储层的第二入口点；

b)向所述第二入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃储层的烃开采；

其中所述第一级和第二级不通过任何隔离工具隔开；并且任选地

iii)从所述烃储层采收烃到地面。

2.权利要求1的方法，其中穿过所述井筒套管的所述入口点包含至少一个射孔。

3.权利要求2的方法，其中所述至少一个射孔基本上垂直于所述井筒套管。

4.权利要求3的方法，其中所述入口点包含多个射孔。

5.权利要求3或4的方法，其中所述射孔布置在井筒套管上，选自：沿着所述井筒套管的基本上一行，或基本上在所述井筒套管周围。

6.权利要求1的方法，其中所述至少一种压裂流体选自：液体、气体、及其组合。

7.权利要求6的方法，其中所述压裂流体还包含至少一种固体。

8.权利要求1的方法，其中所述烃采收还包括以下步骤：停止引入所述至少一种压裂流体；降低井筒处的压力和将所述烃通过所述井筒采收到地面。

9.权利要求1的方法，其中所述新的井段包含至少三个没有通过任何隔离工具隔开的级。

10.激发烃储层的方法，其通过激发至少两个根据权利要求9的方法中的井段，其中所述至少两个井段通过隔离工具隔开。

11.在设置有斜井筒和套管的烃储层中激发新井段的方法，其通过在所述井筒中引入至少两个相继的级而不需要任何隔离工具，所述方法包括：

i)如下引入具有预定长度的第一级：

a)产生穿过所述井筒套管进入烃储层中的至少一个入口点；

b)向所述至少一个入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃储层的烃开采；

c)监测所述井筒中的压裂压力；

ii)如下在同一井中引入具有预定长度的第二级：

a)产生邻近所述第一级、穿过井筒套管进入烃储层的第二入口点；

b)向所述第二入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃储层的烃开采；

其中所述第一级和第二级不通过任何隔离工具隔开；

iii)从所述烃储层采收烃。

12.权利要求11的方法，其中每个入口点包含至少一个射孔。

13.权利要求12的方法，其中每个入口点包含多个彼此邻近的射孔。

14.权利要求13的方法，其中每个射孔在相同的级中彼此距离小于一米。

15.在烃矿床中不使用隔离工具对水平井筒井段压裂多个级的方法，所述方法包括以下步骤：

a)选择适合于不使用隔离工具进行压裂方法的井筒；

b)在所述井筒中选择适当的级位置；

c)在所述井筒的第一级的第一开口处射穿至少一个射孔，优选一组射孔；

d)将至少一种激发流体或系列激发流体泵入所述至少一个射孔中；

e)观察在所选的级中的注入速率和压力；

f)在所述井筒中选择适当的级位置；

g)不使用隔离工具，在所述井筒的连贯级的连贯开口处射穿至少一个射孔，优选一组射孔，

h)将至少一种激发流体或系列激发流体泵入所述至少一个射孔中；

i)观察在所述级中的注入速率和压力；

j)任选重复步骤(f)至(i)，在所述级之间没有隔离工具。

16.权利要求15的方法，其中所述至少一种激发流体还包含放射性物质以确定所述射孔中压裂步骤的有效性。

17.在水平井筒井段中水力压裂多个烃矿床的方法，所述方法包括根据权利要求15所述的方法压裂至少两个级。

18.水力压裂符合权利要求15所限定的水平井筒的方法，其中在不使用常规分流技术的情况下压裂所述井在第一级之后的至少两个级，并且通过任选在所述矿床中对微震和放射性指标作图而在所选择的级中观察注入速率、流体路径和压差来选择随后的级的位置。

19.在烃储层中在基本上水平的井筒中激发新井段的方法，所述方法包括在所述井筒中引入两个或更多个相继的级，在所述级之间没有隔离工具，所述方法包括：

i)如下引入第一级：

a)产生穿过井筒套管进入烃地层中的第一入口点；

b)以足够的速率向所述第一入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

ii)如下在同一井筒中引入第二级：

a)产生邻近所述第一级、穿过井筒套管进入烃地层的第二入口点；

b)以足够的速率向所述第二入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

iii)如下在同一井筒中引入一个或多个连贯级：

a)产生邻近前面的级、穿过井筒套管进入烃地层的至少一个连贯入口点；

b)以足够的速率向所述连贯入口点引入至少一种压裂流体，以激发从所述烃地层的烃开采；

c)在整个所述方法期间，在预定时间下监测所述井筒的运行条件；

d)终止激发以允许烃采收；和

e)从所述烃储层采收烃；

其中所述两个或更多个相继的级没有通过任何隔离工具分离。

20.在设置有斜井筒的烃储层中的井段，所述井段包含至少两个没有通过任何隔离工具隔离的相继的级。