地下压裂方法

技术领域

本公开涉及地下地层中的压裂。更具体地，本公开涉及直接在从井筒(井眼)径向向外设定的地层中并且经过环绕(circumscribe)井筒的地层中的井筒影响应力的区域而引发裂缝。

背景技术

油气生产井筒延伸到地下，并与富集油气的地层相交。钻井系统通常用于挖掘井筒，钻井系统包括位于钻柱端部上的钻头和位于井筒开口上方的驱动系统，驱动系统使钻柱和钻头旋转。当钻头旋转时，钻头上的切削元件刮擦井筒的底部，并从地层挖掘岩石，从而使井筒加深。在钻井操作期间，钻井液通常沿着钻柱向下泵送并且从钻头排放到井筒中。钻井液在钻柱和井筒壁之间的环形空间中向上流回井筒。挖掘时产生的钻屑被循环的钻井液携带到井筒上。

在钻井之后，有时在井筒的壁中产生裂缝，这些裂缝从井筒延伸到地层中。裂缝意味着增加从地层到井筒中的排放体积，从而又增加来自地层的油气产量。通常通过将加压流体注入井筒中来进行压裂。通常当井筒中的压力在岩石上施加超过其在地层中的强度的力时，开始进行压裂。然而，在地层中产生的裂缝的取向受到由井筒地层引起的环向应力的影响，并且所述环向应力通常存在于井筒周围的地层中。即使在地层中沿最小应力方向钻探井筒，环向应力通常也会导致裂缝沿井筒的长度延伸。这种纵向裂缝有时延伸到相邻的地下区域，当这些区域处于不同的压力下并且可能存在横向流动时，这是特别不期望的。此外，尽管当径向经过井筒产生环向应力时，裂缝取向可旋转至垂直于最小应力方向的取向，但这可引起裂缝路径中的尖灭，以在压裂处理期间增加可能的过早脱砂(pre-maturedscreen-out)，并对流过裂缝的油气引入流动限制。

发明内容

公开了一种用于在井筒中操作的系统，在一个示例中，该系统包括将加压流体连通到环形心轴中的孔的加压流体源。心轴上的喷嘴也与加压流体连通，并将加压流体作为流体射流排出；该流体射流冲击并在井筒的侧壁中切出凹口。使心轴旋转以沿环绕侧壁的路径切割。压裂系统与心轴联接，并且被置于将加压流体保持在压裂系统中的闭合构造。将压裂系统置于打开构造从压裂系统释放加压流体。在示例中，喷嘴设置在围绕心轴的一部分安装的喷嘴套筒中。喷嘴中的通道是成角度的，这使得当加压流体流过通道时套筒旋转。使套筒旋转以沿围绕井筒的侧壁的圆形路径引导射流。凹口可径向延伸超过形成井筒时产生的环向应力区。可选地，包括环形喷嘴阀构件，其选择性地允许或阻止通过喷嘴的流动。加压流体可以被调节到不同的压力以用于切入侧壁和用于压裂。用于压裂的压力可选地处于指定用于压裂被凹口切入(intersect)的地下地层的值。可以包括环形壳体，该环形壳体具有环绕环形壳体的内表面的凹槽，其中开口环位于凹槽中。在该示例中，环形锚固套筒位于壳体中，该环形锚固套筒与加压流体选择性地连通。锚固套筒的端部上的唇部将环保持在凹槽中。可以通过使用加压流体使唇部沿轴向远离环移动来打开压裂系统。壳体中可选的环形阀套筒在压裂系统处于闭合构造时邻近壳体的侧壁中的开口，并且环形阀套筒在压裂系统处于打开构造时与开口间隔开。阀套筒的端部可以邻接开口环，使得远离开口环移动锚固套筒和唇部将开口环从凹槽释放，并且阀套筒可移动经过凹槽并远离开口。该系统可包括封隔器，该封隔器可经由流动回路利用加压流体而膨胀。移动阀套筒以选择性地允许加压流体填充封隔器，并且还允许通过喷嘴的流动以形成凹口。一个替代实施例具有多个喷嘴主体，每个喷嘴主体具有通道，所述通道的轮廓被设计成使得来自相邻喷嘴主体的射流基本上彼此接近。存在不同的实施例，其中加压流体包括对环绕井筒的地下地层具有腐蚀性的化合物，并且其中喷嘴由当暴露于该化合物时可溶解的材料形成。

还公开了一种井筒操作的方法，该方法包括从井下排放加压流体以沿井筒的内表面形成凹口，其中凹口延伸超过井筒周围的应力笼。通过从接触凹口的管柱排出额外的加压流体来压裂地下地层。流体通过喷嘴从管柱交替地排出，在该示例中，该方法还可以包括使喷嘴围绕管柱的轴线旋转，并且其中流体相对于管柱的轴线倾斜地排出。流体可具有溶解喷嘴并形成开口的腐蚀性化合物；然后，额外的流体可以被引导通过开口。在一个实施例中，球和球座与流体压力一起用于套筒阀从管柱排放流体。封隔器也可位于管柱上，通过将阀套筒移出使得流体可填充封隔器而使封隔器膨胀。

附图说明

在结合附图进行描述时，已经陈述的本公开中的一些特征和益处并且其它特征和益处将变得明显，其中：

图1是井筒12中的压裂管柱的示例的局部剖视图。

图2A是与图1的压裂管柱一起使用的喷射装置的实施例的侧剖视图。

图2B是图2A的喷射装置在井筒12中形成凹口30的示例的侧剖视图。

图2C是图2B的喷射装置的沿线2C-2C截取的轴向剖视图。

图3A是与图1的压裂管柱一起使用的封隔器20的膨胀器系统和压裂系统18的示例的侧剖视图。

图3B是图3A中封隔器20的膨胀器系统的操作的示例的侧剖视图。

图3C和图3D是图3A的压裂系统18的操作的示例的侧剖视图。

图4是在地下地层14中形成的裂缝的示例的侧剖视图。

图5A是与图1的压裂管柱一起使用的喷射装置的替代实施例的侧剖视图。

图5B是图5A的喷射装置沿线5B-5B截取的轴向剖视图。

图5C是与图5A的喷射装置一起使用的喷嘴70的示例的轴向剖视图。

图5D是图5C的喷嘴70沿线5D-5D截取的侧剖视图。

图5E和图5F是图5A的喷射装置在移除喷嘴主体72之前和之后的侧视图。

具体实施方式

现在将在参考示出了各实施例的附图之后更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以有许多不同的形式，并且不应被解释为限于所阐述的图示实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将其范围完全传达给本领域技术人员。相同的数字始终表示相同的元件。在实施例中，术语“约”的使用包括所引用量值的+/-5％。在实施例中，术语“基本上”包括所引用的量值、比较或描述的+/-5％。

还应当理解，本公开的范围不限于所示和所述的结构、操作、材料或实施例的确切细节。变型和等效物对于本领域技术人员将是显而易见的。在附图和说明书中公开了说明性示例。尽管使用了特定术语，但是它们仅以一般和描述性意义使用，而不是为了限制的目的。

图1中的侧剖视图示出了布置在被地层14环绕的井筒12中的压裂管柱10的示例。在所示示例中，管柱10由一段油管16构成，油管16具有沿油管16布置在不同轴向位置处的压裂组件18

图1中示出的地层14的示例是通过挖掘井筒12而在地层14中产生环向应力的区域，该区域也被称为环向应力区域34。该环向应力区域34围绕井筒12并从轴线A

图2A中示出了喷射装置24的示例的侧剖视图，并且在该示例中喷射装置24包括环形心轴44，环形心轴44联接到具有环形上游连接器46和环形下游连接器48的油管16。在该示例中，上游连接器46包括前端50，该前端50示出为具有与油管16一端的外表面上的螺纹匹配的螺纹的母螺纹连接部(box-type connection)。上游连接器46还包括远离前端50的后端52，该后端52也包括母螺纹连接部并且该母螺纹连接部接收心轴44的螺纹端。示出了在上游连接器46的内表面上的凹部中的O形环54，并且O形环54提供心轴44的外表面和上游连接器46的内表面之间的接口中的轴向密封。下游连接器48也包括前端56和后端58，其中前端56示出为母螺纹连接器并且该母螺纹连接器接收心轴44的远离上游连接器46的螺纹端。下游连接器48的后端58示出为具有外表面上的螺纹的公螺纹连接器(pin-typeconnector)，并且后端58插入到在示出的喷射装置24的示例的下游的一段油管16的螺纹连接部中。O形环60示出为布置在形成在下游连接器48的内表面上的凹部中，并且在一个示例中，O形环60限定心轴44和下游连接器48之间的轴向压力阻隔。

图2A的示例中还示出了沿轴向布置在心轴44内的套筒状喷嘴阀构件62。心轴44的内径突然变化以限定面向下游的肩部63。肩部63阻碍喷嘴阀构件62朝向上游连接器46的移动。喷嘴阀构件62的远离肩部63的轴向端具有向内成型并相对于轴线A

如前所述，在一个示例中，喷射装置24的致动包括将球插入管柱10内，在一个示例中，该球的尺寸被设计为使球适于坐落在喷射装置24

现在参照图2C，其示出了喷射装置24的示例在操作期间的沿图2B的线2C-2C截取的轴向视图。此处示出的是喷嘴70在喷嘴套筒68内取向成使得通道74相对于喷射装置24的半径r成角度倾斜。喷嘴70相对于半径r的倾斜取向继而产生了也与半径r成倾斜角度的流体射流28。以倾斜角度重新定向流体在喷嘴套筒68上产生了切向力，从而使喷嘴套筒68沿箭头A所示的示例方向旋转。具有足够动能以形成凹口30(其延伸进地层14的距离超过环向应力区域34)的流体射流28与喷嘴70的倾斜取向的组合在地层14中产生环形凹口30，该环形凹口沿着环绕心轴44的路径P并且径向延伸超过环向应力区域34。

图3A中的侧剖视图示出了图1的封隔器20的膨胀器系统22的一个示例。系统22包括环形壳体86，该环形壳体在其上游端通过上游连接器88与油管16联接，该环形壳体在其下游端通过下游连接器90与油管16联接。上游连接器88的前端92具有母螺纹构造，该母螺纹构造具有接收油管16的螺纹端的螺纹。连接器88的后端94也是母螺纹配件，并且具有带螺纹的内表面以接收壳体86的螺纹端。下游连接器90的前端96具有母螺纹构造和带螺纹的内表面，该内表面构造成接收壳体86的下游端。下游连接器90的后端98示出为具有公螺纹构造，该公螺纹构造的外表面上具有插入油管16的螺纹端中的螺纹。环形阀套筒100被示出为大致同轴地布置在壳体86内，并且具有邻接肩部101的上游端，该肩部形成在壳体86的内径突然改变的位置处，以限定径向表面136。肩部101阻碍阀套筒100向上游的移动。阀套筒100的远离上游连接器88的内径沿轴向距离改变以形成相对于轴线A

图3B中的局部侧剖视图示出了膨胀的封隔器20的非限制性示例。此处，具有与球座102相对应的直径的球114插入管柱10内，并坐落在球座102内。在该示例中，流体116例如通过压力源42(图1)被提供到腔室112内。流体116的压力在球114的上游表面和下游表面上产生压差，从而在球114上产生力F

图3B的示例中还示出了布置在围绕壳体86的内表面的凹部128中的开口C形环126。在该示例中，凹部128被策略性地定位，使得在阀套筒100轴向移动远离端口82之后，C形环126阻碍阀套筒100向下游的轴向移动。该阻碍发生在阀套筒100与锚固套筒130接触之前，锚固套筒130被示出为在凹部128的下游。该实施例的锚固套筒130是具有唇部132的环形构件，唇部132向上游轴向突出并且从C形环126的内表面径向向内地设置。在该示例中，唇部132将C形环126保持在凹部128中。锚固套筒130的外径突然改变并形成径向表面136以限定肩部134，肩部134示出为具有面向上游的表面。壳体86的内表面相应地成形为限定面向下游的肩部136，并且肩部136与肩部134相接。端口82被示出为径向地延伸穿过壳体86的侧壁并且邻近肩部134、136之间的界面。所示出的流动管线140的一端与端口82连通，流动管线140的相反端连接至T形接头120的一个支腿。与剪切销104类似，剪切销142被示出为布置在在壳体86和锚固套筒130内径向地延伸的孔中，并且剪切销142可释放地将锚固套筒130固定至壳体86并处于图3B的位置。

图3C的局部侧剖视图提供了井筒12中的操作的非限制性示例，其中流体116的压力被设定为大于产生力F

在图3C的示例中，由球114的上游表面和下游表面上的压力差产生的力F

现在参考图3D，其以侧剖视图示出了封隔器20的膨胀器系统22A和联接至油管16A的压裂系统18 146A的示例。还示出了喷射装置24A的示例，喷射装置24A联接至膨胀器系统22A的远离油管16A的端部。在一个示例中，凹口30A的示例示出为由喷射装置24A形成。此处，离开开口144A并进入环空32A的流体116A在管柱10A与井筒12A之间的环空125A内流动，并且邻近由喷射系统24A形成的凹口30A。如前所述，流体116A的压力处于指定为超过地层14A的屈服强度的压力，从而形成裂缝148A，裂缝148A从通过地层14A内的环向应力区域34A形成的凹口30A径向向外突出。

图4中以剖视透视图示出了利用管柱10B形成裂缝148B

图5A至图5D提供了用于在地层14C中形成凹口30C的喷射装置24C的替代示例，并且凹口30C示出为延伸超过围绕井筒12C的环向应力区域34C。如图5A中的侧剖视图所示的是喷射装置24C的示例，其中环形心轴44C在其上游端和下游端直接附接至油管16C。在该示例中，球76C被示出为坐落在阀构件62C的阀座64C上。以类似于前述的方式，在球76C上施加力F

参照图5B，示出了喷射装置24C的轴向剖视图，该剖视图是沿图5A的线5B-5B截取的。在该示例中，示出了多个喷嘴70C周向地布置在心轴44C内，并且多个喷嘴70C具有形成在主体72C内的通道74C，通道74C从工具10C的轴线A

图5E中的侧视图示出了喷射装置24D的替代实施例，其中喷嘴70D具有喷嘴主体72D，喷嘴主体72D易于受到流过喷嘴主体72D的流体78C(图5A)的腐蚀。或者，流体78C包括例如通过反应或腐蚀去除喷嘴主体72D的物质(未示出)。流体78C中用于去除喷嘴主体72D的示例性物质包括酸性化合物、碱性化合物、研磨颗粒等，使得喷嘴主体72D在暴露于流体的情况下随着时间的推移而被侵蚀或溶解。现在参照图5F，喷嘴主体72D(以虚线轮廓示出)已经从喷射装置24D内被侵蚀掉，以形成开口150D，该开口150D径向地突出穿过喷射装置24D的侧壁并且提供喷射装置24D的内部与环空32D之间的连通。在一个实施例中，开口150D的横截面面积足以容纳足以在地层14D内生成裂缝148D的压裂流体116A(图3D)的流动。在非限制性示例中，压裂流体116A以足以形成所示的从凹口30D径向向外扩展的裂缝148D的压力和体积被输送到喷射装置24D中，并且从开口150D被引导到环空32D中。在替代方案中，用于喷射凹口30D的流体78C与用于产生裂缝148D的流体相同。

因此，本公开非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点，以及其它固有的结果和优点。虽然为了公开的目的给出了本公开的各实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是明显的，并且旨在包括在本公开的要旨和所附权利要求的范围内。