CN102301087B - 低负压系统中油井射孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过第一和第二连续爆炸事件大幅消除射孔坑道周围的压实带并驱除聚能射孔弹激活时产生的碎片，消除了与负压射孔技术有关的涌流的需要。坑道内产生的近瞬时超压导致岩石组构在坑道尖端的破裂，在有限或无负压条件下以及在超正压条件下进一步产生了基本无碎片的坑道。

Description

低负压系统中油井射孔的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2008年12月1日提交的美国临时申请61/118,995和2009年11月30日提交的美国申请12/627,897的优先权。

技术领域

本发明主要涉及石油和天然气工业中用以在油井套管和地下含油气地层进行爆炸性射孔的活性聚能射孔弹，特别涉及一种改进的在平衡或近平衡压力条件下在油井套管及其周围地下含油气地层进行爆炸性射孔的方法。

背景技术

油井一般采用水泥套管穿过目标地层来完井，以保证钻孔的完整性并可在地层内选择性向特定区间注入流体和/或从特定区间采出流体。需要对跨过目标区间的套管进行射孔使流体流入或流出。用于套管射孔的方法有几种，包括机械切割、水力喷射、弹枪和聚能射孔弹。在大多数情况中优选的解决方法是聚能射孔弹射孔，因为可在较低的成本下产生大量的孔。此外，在钻井和完井过程中，穿透地层的深度足以避开由不相容流体侵入造成的近井渗透率的减少。

图1描述了由带有炸药16的圆柱状射孔弹载体14构成的射孔枪10（也被称为射孔器），其通过电缆、钢丝绳、线圈制管或接合管20的组件降入井中。可采用本领域现有技术将载体14调配到井套管中。在井场，将炸药16置于射孔弹载体14内，然后将射孔弹载体14降入油和气井套管中至含油气地层12的深度。炸药16从射孔弹载体14向外发射并穿过套管壁及含油气地层12。当射孔弹射流穿透岩石地层12时会减速，直至最后射流尖端的速度降到继续穿透所需的临界速度以下。图2最佳的描述了岩石地层12中产生的较狭窄的坑道。射孔过程中产生的颗粒碎片22堵塞了坑道尖端18，阻塞了井中油和气的生产。

使用聚能炸药进行射孔是不可避免的剧烈事件，导致穿透岩石的塑性变形28、颗粒压裂和进入坑道周围岩石孔隙喉道的颗粒碎片（套管材料、水泥、岩石碎片、聚能射孔弹碎片）的压实26。因此，当射孔枪确实可以从含油气地层生产流体的同时，射孔枪的发射将碎片22留在射孔坑道内及坑道壁内的事实证明，传统射孔枪的效果是有限的。此外，进入周围孔隙喉道的颗粒碎片的压实形成围绕射孔坑道渗透率减小（扰动岩）的地带26，常被称为“压实带”。尽管压实带26环绕坑道一般只有约四分之一英寸厚，但是对坑道的入流和外流潜力造成不利影响（通常被称为“表皮”效应（skin effect））。岩石的塑性变形28形成环绕坑道应力增加的半永久地带，被称为“应力笼”，进一步损害了坑道中的压裂造缝。坑道尖端18中留下的碎片的压实团块典型地非常硬并且几乎不可渗透，减少了坑道的入流和/或外流潜力及有效坑道深度（也被称为净坑道深度）。

坑道的几何形状(geometry)将决定其有效性。坑道延伸入周围地层的距离，常被称为总穿透，是聚能射孔弹的炸药重量；套管尺寸、重量和等级；当时地层强度；以及射孔时作用于地层的有效应力的函数。有效穿透是对流体入流或外流有贡献的总穿透的分数。这是由射孔事件完成后留在坑道中的压实碎片的量决定的。射孔之间的有效穿透可能差别很大。目前，没有测量钻孔中有效穿透的方法。达西定律将流过多孔介质的流体与渗透率及其它变量关联起来，并由以下方程表示：

其中：q=流率，k=渗透率，h=储层高度（reservoir height），p_e=储层边界处的压力，p_w=井壁处的压力，μ=流体粘度，r_e=储层边界的半径，r_w=井半径，和S=表皮系数。

有效穿透决定有效井半径，r_w，是达西方程关于径向入流的重要的项。当在钻井和完井过程中发生近井地层损害时，例如，由泥浆滤液侵入造成损害时，该项变得甚至更加重要。如果有效穿透小于侵入深度，那么液流会被严重削弱。

未充分清理的坑道限制了产生或注射的流体可以流过的面积，导致压降和腐蚀增加；增加细粒（fines）往有限入流点移动的风险和/或入流点周围发生凝析聚集（condensate banking）（在气体的情况中）从而导致产量严重降低的风险；并损害压裂造缝和裂缝延伸。

目前，从坑道清理碎片的普通程序是依靠地层和油井之间较大压差引起的流动。负压射孔是指在套管内部的流体静压力小于储层压力条件下产生穿过套管的开口。负压射孔具有使储层流体流入井中的倾向。相反，超正压射孔是指在套管内部的流体静压力大于储层压力的条件下产生穿过套管的开口。超正压射孔具有使井中流体流入储层地层的倾向。通常优选进行负压射孔，因为储层流体流入井中往往会清理射孔坑道并增加射孔净坑道的深度。

负压技术维持从地层向井的压力梯度，引起坑道周围受损岩石的拉伸破裂并形成涌流将碎片从射孔坑道传输至井中。换句话说，在常规负压射孔中，在引燃或引爆射孔枪之前井压保持在储层压力以下以形成静态负压。图3描述了炸药16点火后负压系统中的清理涌流。射孔后，流体从地层流过坑道。因为流体流过坑道并流出坑道开口24，射孔形成的碎片22随流体被带走。如果可形成充足的涌流，只有少量（如果有的话）碎片22留在坑道中。但是，负压射孔可能不会总是有效，和/或有时可能很贵，或其实施不安全。尽管负压射孔技术在中至高天然渗透率的均匀地层中较成功，在大量情况下，不需要、难以或甚至不可能在地层和井之间产生足够的压力梯度。例如，当储层很浅或衰竭时，井中即使很轻微的流体或气体的流体静压力都将导致只有极少程度的负压产生，这种负压可能太低而不能引起足够的流率来清理坑道。此外，当油井具有打开的射孔坑道时，压差一旦产生，流体将从现有的射孔流出，限制了不会对井中的工具或地面设备造成不利影响的可用的负压量。如果射孔在非负压下用常规聚能射孔弹进行，未堵塞坑道占射孔总孔的百分数（也被称为“射孔效率”）可为10%或以下。

因此，需要一种在不需要负压技术或负压技术不可能实现的情况下对套管油井进行射孔的改进方法。也有在相同射孔条件下与传统聚能射孔弹达到的性能相比，实现更优的入流和/或外流性能的需要。

发明内容

已发现，通过激发具有活性聚能射孔弹的射孔枪在射孔坑道产生后产生第二、局部反应，提供了比常规聚能射孔弹所能达到的更优的入流和/或外流性能，并且不会建立压差。甚至在平衡或近平衡压力条件下进行射孔，活性聚能射孔弹也为未堵塞的坑道提供未受损的坑道壁，从而增加入流和/或外流流量，并改善产生或注射的流体在射孔区间上的入流和外流分布。

许多作业或情况防止目标地层和井之间建立压差，包括但不限于下述的作业，其都将因此受益于本发明。首先，采用与高负压不相容的传输方法对井进行射孔，例如在有或没有牵引器辅助下用钢丝绳或电力线传输的射孔，其将受益于本发明之处在于不需要负压。第二，用不能大幅减少井中流体静压力的地面设备对井进行射孔，例如在没有流体抽运或循环设备和/或气体（例如氮气）发生设备的情况下射孔，也将基于相同理由从本发明中受益。第三，已具有现存打开射孔的井的射孔，其中流体在负压条件下将从打开的射孔流入井中，其将受益之处在于在这些情况下可采用的负压量是有限的。导致流体流入的负压技术将可能使射孔工具不必要地向井上方移动，或达到井或与其连接用于接收所产生流体的地面设备的最大流量。第四，或者作为由于生产导致初始储层压力低或衰竭的结果，具有非常低的储层压力的区间的射孔在井中即使很轻微的流体或气体存在下，都会导致近平衡、平衡或超平衡条件，其都将从本发明中受益，因为本发明不需要负压来清理有碎片的坑道。最后，本发明有利于区间的射孔，在所述区间，地层岩石在降深下（under drawdown）容易破坏，并且在所述区间，如果射孔在高负压条件下进行，那么可能发生地层材料不必要地流入井中。

通过以下对本发明详细的描述，本发明这些及其它目标和优点对领域技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

结合附图并参考详细的说明可以更完整的理解本发明的方法和装置，其中：

图1是现有技术油井套管内的射孔枪的截面图；

图2是现有技术方法得到的射孔坑道内所受压实填充的截面特写图；

图3是采用现有负压技术方法清理射孔坑道的常规射孔设备的截面图；

图4描绘了本发明方法的流程图；

图5a是活性射孔弹爆破进入含油气地层后产生的射孔坑道的截面特写图；

图5b是二次爆炸反应发生后图5a射孔坑道的截面特写图；

图6是与采用负压技术的现有技术方法相比，采用本发明方法得到的较宽有效井半径和较干净射孔坑道的截面特写图；

图7是在不同平衡压力下常规和活性聚能射孔弹的比较生产率的图示。

不同附图的图中使用的相同数字代表相同或类似的部分。此外，当词语“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”、“上端”、“下端”、“高度”、“宽度”、“长度”、“末端”、“旁边”、“水平”、“垂直”和类似的词语在本文中使用时，应理解，这些词语仅指附图所示的结构并仅用于辅助描述本发明。

所有图的绘制仅为了容易理解本发明的基本教导；在阅读和理解本发明以下教导后，关于形成优选实施方案的数字、位置、关系和各部分尺寸的图的延伸将被解释或将在本领域技术内。此外，在阅读和理解本发明以下教导后，符合特定的力、重量、强度和类似要求的准确尺寸及尺寸比例将与本领域技术内的类似。

具体实施方式

本发明申请的方法提供了一种改进的对油井进行射孔的方法，该方法消除了压实带并在射孔坑道末端产生裂缝（也被称为一个或多个尖端裂缝），实现改善的射孔效率和有效的坑道清理，而不必在负压压力条件下射孔。换句话说，本发明方法不必控制或减少井内的压力，但如上所述，目前已知的方法通常需要这样做。

图4描绘了在平衡、超正压或低负压条件下本发明对油井射孔的改进方法的流程图。本发明包括以下步骤：在射孔弹载体内装入至少一个活性聚能射孔弹，将射孔弹载体置于邻近地下含油气地层处；不刻意采用油井和储层之间的压差，引爆射孔弹载体以产生第一和第二爆炸事件，其中第一爆炸事件在邻近地层中产生至少一个射孔坑道，所述射孔坑道由压实带包围，以及其中第二爆炸事件基本消除了所述压实带并将碎片从所述射孔坑道内驱除。

第二爆炸事件是仅发生在所述射孔坑道内的局部反应，基本消除射孔过程中产生的压实带，并在每个所述射孔坑道的尖端产生裂缝。此外，二次反应导致产生等于射流穿透总深度的净坑道深度。

在一个实施方案中，压实带通过利用化学反应来消除。通过举例的方式而非限制，在射孔枪引爆后，熔融金属和氧载体例如水之间发生化学反应，在射孔坑道内和周围产生放热反应。在另一个实施方案中，压实带被消除并且在射孔坑道内和周围，通过药型罩组分之间的强放热金属间反应产生一个或多个尖端裂缝。

如本文中所使用，短语“刻意采用压差”是指故意调整与储层压力相对的油井中的压力；尤其是，在平衡或近平衡压力条件下采用的方法，在所述条件下，储层深度处的井内压力实质上等于或稍微大于相同深度处储层的压力。词语“压差”是指井内和储层内的压力之间的差，不依赖于任何其它反应或射孔，并且不依赖于由任意反应或射孔导致或在任意反应或射孔过程中导致的任意压力的改变。此外，如本文所使用，裂缝是局部裂纹或含油气地层分开成两或多块。

在一个实施方案中，通过引起一个或多个强放热反应作用在坑道内和坑道周围产生近瞬时超压来基本消除压实带。优选地，反应作用由具有药型罩的聚能射孔弹产生，所述药型罩部分或整体由将在射孔坑道内部单独、相互或与地层组分反应的材料制成。在第一实施方案中，聚能射孔弹包括含金属的药型罩，该药型罩由烈性炸药推进，将金属以其熔融状态投射到由聚能射孔弹射流产生的射孔中。然后熔融金属被迫与同样进入射孔中的水反应，在射孔内产生局部反应。在第二和优选实施方案中，聚能射孔弹包括具有控制量的双金属组合物的药型罩，所述双金属组合物发生放热的金属间反应。在另一个优选实施方案中，药型罩由引爆后发生放热反应的一种或多种金属组成。

适合本发明的活性聚能射孔弹在Liu的美国专利7,393,423和Bates等人的美国专利申请公布2007/0056462中公开，其技术公开均因此通过引用结合到本文中作为参考。Liu公开了具有含铝药型罩的聚能射孔弹，由烈性炸药（如RDX或其与铝粉的混合物）推进。Liu公开的另一聚能射孔弹包括含能材料（如铝粉和金属氧化物的混合物）的药型罩。因此，烈性炸药的引爆或燃料-氧化剂混合物的燃烧产生第一爆炸，将铝以其熔融状态推进到射孔中引起二次铝-水反应。Bates等人公开了一种由活性药型罩制成的活性聚能射孔弹，所述活性药型罩由至少一种金属和非金属，或形成金属间反应的至少两种金属制成。通常，非金属为金属氧化物或任何来自族III和族IV的非金属，而金属选自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr。引爆后，金属药型罩的组分发生反应产生大量能量。

但是，一般，只要引爆后能引起第一和第二爆炸事件并且产生射孔坑道，任何射孔弹均适用于本发明，所述射孔弹含任意氧化和可燃单元，或其它成分，以一定的比例、量或装填，被火、热、电火花、摩擦、打击、震动所点燃，或由化合物、混合物，或装置或其任意部分引爆。第二爆炸事件优选为局部的或基本包含于相应射孔坑道内。适合引起第二爆炸事件的起因包括但不限于：用于爆破的一种或多种粉末、任何化合物、混合物和/或其它引爆剂之间的反应或相互反应，不管是否在地层中存在或引入彼此或另一元素或物质。

在不受理论束缚下，图5a-5b描绘了包括铝药型罩的活性射孔弹被激发时含油气地层12中发生的理论过程。如图5a所示，被激发的射孔弹载体14将活性射孔弹射入地层12中并形成由压实带26包围的坑道，如上所述。因为药型罩由铝组成，来自崩塌的药型罩的熔融铝也进入射孔坑道。引爆后，压力增加引起水从井流入坑道中，在铝和水之间产生局部二次爆炸反应。如图5b所示，二次爆炸后，压实带26基本被消除并在坑道末端（或尖端）形成裂缝30。压实带26的消除使得射孔坑道横截面直径围绕坑道增加或加宽至少四分之一英寸，并消除了表皮效应导致的流体入流或外流的障碍。此外，甚至不需按惯例采用负压，强放热反应清理了坑道。如图6所示，有效井半径r_e ^*与用虚线表示的现有技术方法获得的有效井半径r_e（并用碎片堵塞尖端18）作比较，其通过移除被压实的填充得到延伸，具有等于射流穿透总深度的净坑道深度。此外，当裂缝30在坑道尖端产生时，获得了甚至更大的有效井半径r_e ^**。

因为每个聚能射孔弹都独立地将离散量（discrete quantity）的活性物质传送至其坑道中，所以任意特定坑道的清理不受其它坑道清理的影响。清除的有效性因此不依赖于当时的岩石岩性并且不依赖于穿透点处的渗透率。因此，达到了非常高的射孔效率，理论上接近射孔总孔数的100%，同时净坑道深度将等于总穿透深度（因为压实填充被从坑道尖端移除），如图6所示。射孔的坑道非常有利于生产和注射。

由本发明产生的没有碎片的坑道导致：既定压力条件下注射速率或生产速率的增加；既定注射速率下注射压力的减少：每个打开的射孔注射或生产速率的减少，导致较小的射孔摩擦和较小的腐蚀；注射或生产的流体在射孔区间改善的分布；长期生产或泥浆处理过程中或水力压裂增产的含支撑剂阶段过程中由于固体架桥（脱砂）导致的注射能力或生产能力的灾难性损失的减少的倾向；近井压力损失最小化；及既定数量聚能射孔弹（为控制外流分布有限进入射孔的特定值）产生的入流或外流区域改善的可预测性。此外，压裂造缝压力可显著降低；在某些情况下降至一个点，在该点处，以前用常规井场设备不能压裂的地层现在可满意地压裂。

以下实施例仅用于描述而决非限制要求权利的发明。

实施例1

实验室研究将采用常规方法在平衡和近平衡条件下发射的射孔生产率(productivity)相比较，研究显示，本发明方法始终提供20-40%的较大的生产率（在单发实验室条件下），如按照美国石油协会推荐做法（American Petroleum Institute Recommended Practice）19-B(API RP 19-B)第4部分进行的试验所显示。一个这样的试验项目的结果参考图7在下面阐述，图7描绘了在贝雷砂岩（Berea sandstone）中有效应力4,000psi的不同平衡压力下常规和活性聚能射孔弹的对比生产速率。如本文所使用，生产率比率（kf/k）为当流过未射孔岩石时测定的渗透率。岩石内的有效应力等于总应力（σ）减去孔隙压力（P_p）。总应力（σ）可视为水饱和岩柱的重量。该重量的两个组成是具有空孔的岩石和填充孔的水的重量。有效应力定义为由其自身重量和孔中流体压力带来的计算应力。它代表岩石组构带有的平均应力，根据：

有效应力的改变导致流体压力减少区域中岩石的胶结（即，其颗粒更紧密地结合在一起移动）。当岩石变成支撑的颗粒而未发生剪切破坏前，有效应力增加并在完全胶结时达到最大值。在从油藏或气藏中采集流体的过程中，岩石内的压力将下降，影响压力的平衡并将更多上覆岩重量转移到颗粒结构中。随着有效应力增加，岩石的抗压强度也增加，使聚能射孔弹更难穿透。此外，由于压实和较大的碎片完整性导致地层渗透率减少，增加的有效应力阻止碎片从坑道中移除。由于在衰竭情况下储层压力下降，储层上有效应力相应增加。这削弱了聚能射孔弹射孔系统可达到的穿透，并增加了有效清理所得坑道的难度。但是，甚至在有效应力为4,000 psi的情况下，活性聚能射孔弹也在近平衡条件下产生较大的生产速率。

实施例2

表1描述了用15克装的活性聚能射孔弹进入贝雷砂岩产生的数据。除了近平衡条件下提高的生产率，在500 psi负压至1,000 psi超正压的条件下对常规聚能射孔弹的生产率的提高是显著的。

由上述结果可见，即使在不使用负压或不应用压差的情况下，流量提高了52%之多，其中与常规聚能射孔弹0.60的生产率相比较，活性聚能射孔弹的生产率比率达0.92之高。此外，在500 psi负压及500和1,000 psi超正压的试验环境下，用本发明方法也达到了流量和生产率的提高。

实施例3

以常规方式射孔活性射孔在有限或无负压的井中的现场应用显示，在以常规方式进行射孔的邻井和/或与用常规设备和方法在相同井中的在先射孔相比较，生产率显著提高。表2总结了不同条件下使用多种砂岩目标进行的5个实验方案的结果。某些研究只包括API RP-19B第2部分类型试验，试验估计了受应力的岩石目标中的射孔几何形状但未测定所得射孔的流动性能。

从表中可见，活性射孔枪在广泛的条件下可显著地改善射孔几何形状和生产率比率。总计，已进行了一千多发受应力的岩石试验，所述试验采用本发明中使用的活性聚能射孔弹。不仅在将无进一步作业下的简单套管、水泥和射孔的井中观察到成效，而且在不成岩地层中已用常规聚能射孔弹系统射孔的井中也观察到成效，从而使得地层将在降深下破裂，导致生产过程中地层固体流入井中（即，从地下地层中采集油气）。在平均渗透率为<0.001 mD至>200 mD的井中已取得成功。相对于新钻井的初始性能，使用活性射孔系统的再射孔（在先前用常规系统射孔的井中的射孔）甚至导致生产率的恢复或提高。

活性射孔器同等地受到来自所见总穿透点的影响，但将继续提供百分比大得多的干净坑道。这导致净坑道深度的大幅增加并因此导致生产性能的提高，在某些情况中，用活性射孔系统再射孔已导致了多于十倍的生产率增加。在一种情况中，尽管采取几种补救措施历史上不可能生产多于0.5 MMscf/d 的气井的再射孔导致流率超过4 MMscf/d并在其早期的生产活动中遵循一条正常的下降曲线。

尽管上述的图将所有炸药描述为具有一致的尺寸，本领域技术人员可理解，根据特定的应用，在射孔强中可能需要具有不同尺寸的炸药。本领域技术人员也理解不违背本发明范围的情况下将来可得到的几种变化。同样，在本发明范围内可用于点燃炸药的特定技术在行业中是常规的技术并为本领域技术人员所理解。

现在，本文描述的改进的射孔枪对本领域技术人员来说将是显而易见的，所述射孔枪减少了射孔枪发射后含油气地层中射孔中留下的碎片量，不需要典型用于从射孔坑道中清除碎片的由负压引起的涌流。尽管本发明已通过优选实施方案的方式描述，显然，在不违背本发明精神和范围的情况下可采用其它调整和修改。

本文采用的词语和短语作为描述的词语使用而并非限制；因此，没有排除等同意思的意图，但相反，在不违背本发明精神和范围情况下，其涵盖任意和所有可能采用的等同用语。

Claims (8)

1.一种在平衡或低负压条件下进行油井射孔的方法，所述方法包括步骤：

a）在射孔弹载体内装入至少一个活性聚能射孔弹；

b）将所述射孔弹载体置于井下邻近地下含油气地层处，所述井处于从平衡或低负压条件中选择的压力条件下；

c）不改变井的压力条件，引爆井中的所述至少一个聚能射孔弹以产生第一和第二爆炸事件，其中所述第一爆炸事件在所述邻近地层中产生至少一个射孔坑道，所述射孔坑道由压实带包围，以及其中所述第二爆炸事件由聚能射孔弹药型罩组分之间的金属间放热反应产生，所述第二爆炸事件消除了所述压实带的大部分并将碎片从所述射孔坑道内清除。

2.权利要求1所述的方法，其中所述第二爆炸事件在所述射孔坑道的尖端产生至少一条裂缝。

3.权利要求1所述的方法，其中放置步骤b）所述的地下含油气地层为已通过常规聚能射孔弹进行射孔。

4.权利要求3所述的方法，其中步骤c）进一步使得产生的净坑道深度基本等于总穿透深度。

5.权利要求1所述的方法，其中所述活性聚能射孔弹由药型罩构成，所述药型罩具有至少一种能产生放热反应的金属元素。

6.权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二爆炸事件在微秒内发生。

7.权利要求1所述的方法，其中所述压力条件不依赖于坑道内由任意射孔或反应导致的任意压力变化。

8.权利要求1所述的方法，其中步骤b）所述的地层包含在储层压力小于可被轻的流体或气体的流体静压力抵消的流体，所述流体延伸至遇到地层的深度。