專利名稱：完井的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及完井的方法和裝置，包括但不限于生產(chǎn)井或者注入井。更 具體而言，本發(fā)明的一些實施例涉及用于減少在初次完井時或者在維修作業(yè)中研磨或者阻塞性固體顆粒例如來自地層的沙子進入井孔的量以改進 初次完井的方法和裝置。相似地，在本發(fā)明的其它實施例中，提供用于控 制流體通過和井孔相關(guān)的可固化材料中的局部裂縫流入/流出井孔的系統(tǒng) 和方法。這樣，本發(fā)明可促進生產(chǎn)壓差局部區(qū)域和生產(chǎn)井中的生產(chǎn)或者注 入井中的選擇性流出控制。
背景技術(shù)：
在鉆井例如油井和天然氣井時遇到的某些地層有時在生產(chǎn)階段易于 出砂。伴隨地層流體產(chǎn)生的沙子可由于所產(chǎn)生的固體的阻塞對井生產(chǎn)期望 流體的能力造成嚴重問題以及由于這樣的顆粒的磨損性質(zhì)而對裝置造成 破壞?？梢砸韵绿坠芫畼?gòu)造或者無套管井(裸井)構(gòu)造完成在易于出砂的儲 層中鉆出的井孔。對于下套管完井，通常由首尾相連的一系列鋼管形成的 套管柱被膠結(jié)在井孔中的合適位置。最簡單的水泥充填是初次注水泥，其 中，包括水泥漿的流體串通過套管柱從地面被泵送至井孔，沿著套管和地 層之間的環(huán)形間隙返回至地面。水泥在套管后的環(huán)形空間中凝固以形成支 承和保護套管并提供層間隔離的材料?，F(xiàn)在，易出砂儲層的裸眼(未下套管)儲層完井常常是復雜而昂貴的 步驟，需要采用硬件以防止在生產(chǎn)階段從儲層中產(chǎn)生沙子。當前常規(guī)的防止出砂的方法包括.將工具和篩管(screen)置于井眼內(nèi)后礫石充填(gravel packing); -將預先充填的篩管安置(placement)在裸眼中；-采用可膨脹篩管完井；以及-例如采用樹脂使儲層的生產(chǎn)層表面膠結(jié)(0)118011￡1^011)。礫石充填過程需要采用專門工具，并且礫石的不完全充填特別是在水平儲層中是眾所周知的風險。預先充填(prepacked)的篩管消除了空隙的風 險但是需要特別復雜的安置(placement)。美國專利文獻3 026 936提出了通過利用水泥中的裂縫促進井生產(chǎn)。 提出通過射孔彈、機械錘、水力驅(qū)動活塞和通過增加的流體靜壓力使套管 變形來破裂垂直井中的水泥。另外，提出通過化學處理提高滲透性。在描述修補套管和水泥之間的通道的水泥充填方法的美國專利4 531 583中提出了采用具有預先弱化(塞頭孔)帶的套管襯管。在美國公開的 專利申請2005/0121203A1中描述了另一種采用具有預先切割的孔的套管 襯管，作為有待與井壁直接接觸的膨脹襯管。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在通過使水泥的破裂局部化改進先前提到的技術(shù)。特別是授 予Teplitz的US3 026 936早先認識到了通過粉碎水泥套和射孔套管產(chǎn)生井 的潛力。但是對于上述在井生產(chǎn)和防砂領域占主導的裝置和技術(shù)，Teplitz 的提議被很大程度地忽略了。本發(fā)明改進了在應用根據(jù)Teplitz的方法時被認為是主要障礙的某些 方面。例如Teplitz未能將裂縫的傳播限制于水泥套，因而在地層之間產(chǎn) 生潛在的不需要的交叉流動和產(chǎn)生層間隔離損失。盡管提到在將套管安置 于井中之前對套管射孔，Teplitz還未能教導通過預先射孔的套管襯管填充 水泥漿的方法。本發(fā)明提供了將裂縫水泥帶局部化的裝置和方法，并且在另一個方面 中提供了將水泥漿初步充填在套管和地層之間的環(huán)形空間中的改進的預 先射孔的套管。為局部化裂縫帶，本發(fā)明沿著井孔對水泥(或者任何其它用于建立層 間隔離的可固化材料)套施加局部的，優(yōu)選為受控的力或者壓力。優(yōu)選地， 該方法包括在目的層膨脹套管以通過力或者壓力傳遞元件使目的層中的 水泥破裂?？蛇x擇地，由位于環(huán)形空間中的更有柔性因此不易碎的材料的區(qū)域或 體積限制破裂的可固化材料的區(qū)域或者體積。套管或者襯管的射孔部分被 設置為來自周圍地層的通過裂縫帶的流體可通過套管的射孔進入井。將套管和生產(chǎn)地層隔幵的碎片材料帶或者層設計為防止沙和其它固 體顆粒進入井。換言之，地層和套管之間的破裂的材料用作沙過濾器或者 沙篩。至少一部分套管具有多個開孔例如狹縫、篩孔、網(wǎng)孔等。在初次填充 可固化材料期間優(yōu)選以可移除填料或者塞子填充或者堵塞開孔。根據(jù)該變 形形式的方法包括在井開采之前或者過程中去除目的層套管中的填料或 者塞子的進一步的步驟。優(yōu)選地，在使水泥破裂之前或者之后但是開采井 之前去除填料或者塞子。但是，在該實施例的變形形式中，可采用采出的 地層流體去除填充材料?？蛇x擇地，包括開孔的套管可被下至包括水泥的 井中或者隨后將水泥泵送入井。在這些方面，可將井孔中的水泥鉆出井孔， 使得井孔清潔以備其它操作例如進行破裂等?？筛鶕?jù)操作要求組合本發(fā)明的各個方面。已發(fā)現(xiàn)，組合采用預先射孔 的套管以局部化水泥中的裂縫而促進生產(chǎn)的各個方面特別有利。本發(fā)明可 用于垂直和非垂直或者水平井。本發(fā)明的另一方面包括局部破裂圍繞井中的套管的水泥的裝置。在某些實施例中，通過控制水泥、可固化材料和/或其它材料中的裂 縫的位置，可控制從儲層流入井孔的流體流入和/或從井孔至儲層的流體 流出?？蓪⒉捎每晒袒牧现械木植炕芽p來控制流體流動用作對井孔/ 井孔套管射孔的替代。


現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，其中-圖1A和1B示出了在破裂前和破裂后的本發(fā)明的一個實施例； 圖1C和1D示出了在破裂前和破裂后的本發(fā)明的另一個實施例； 圖2A和2B示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的裝置視圖； 圖3A—3D示出了用于本發(fā)明的各種形式的套管和適合的工具； 圖4示出了產(chǎn)生沖擊波以破裂水泥的工具；圖5A—5C示出了具有根據(jù)本發(fā)明的力或者壓力局部化元件的套管；圖6示出了具有預先形成的開孔的套管；圖7描述了根據(jù)本發(fā)明所采用的套管的另一個例子；以及圖8為根據(jù)本發(fā)明例子的步驟的流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個方面涉及將在產(chǎn)層前提供可滲透材料的初次注水泥過 程。該過程可以一步或者多步進行。在圖1A中示意地示出了本發(fā)明的一 個實施例。套管柱11位于井10中，包括在蓋層121或者不可滲透地層前 面的常規(guī)鋼套管111和具有在可滲透區(qū)域122前面的多個狹縫113的割縫 套管112。在本發(fā)明的一個實施例中，可相對于割縫套管112以垂直方向 /方位設置多個狹縫113。在其它實施例中，可相對于割縫套管112以任意 方向/方位設置多個狹縫113，并且多個狹縫中的一個或多個狹縫實際上可 與多個狹縫113中的其它狹縫具有不同的相對于割縫套管112的方向/方 位。包括適合于井況的水泥漿的流體串沿套管11從地面泵送以填充套管 11和地層12之間的環(huán)形空間從而形成井周圍的不可滲透的護套13。還可 將注水泥膠塞131設置在可破裂水泥漿和留在套管中的流體之間的流體 串中。該過程將使得井自由地繼續(xù)鉆探、放置工具或者填充油。在圖1B中破裂力被施加至水泥以在處于狹縫113周圍的區(qū)域內(nèi)在固 化水泥13中局部地產(chǎn)生裂縫132。。下面將描述將裂縫限制在期望區(qū)域 內(nèi)的合適的方法的細節(jié)。例如，在圖1C中，包括常規(guī)水泥漿、接下來是更柔軟的密封劑成份、 接下來是容易破裂的水泥的液體串沿著套管11泵送。將流體串(下面更 詳細地描述)在套管11后置于套管11和地層12之間的環(huán)形間隙中。因 此，將標準水泥133置于柔性密封劑134和目的層內(nèi)的可破裂水泥135上 方。在材料在套管11后固化后的一段時間，可如圖1D所示破裂或壓裂 可破裂水泥135以及某些情況下地層以通過裂縫132從儲層地層122進行 開采。柔性帶134防止裂縫132延伸超過產(chǎn)層122附近的水泥135。下面 描述密封劑的合適材料。在該實施例的變形形式(未示出)中，選擇水泥133和135的性能使得裂縫在兩種水泥之間的界面上停止，而不需要密封劑材料134的間歇帶。在現(xiàn)有技術(shù)中已知具有柔性和彈性性能的水泥，例如Schlumberger 的FlexSTONE (RTM)商標?？蛇x擇地，假設密封劑134防止裂縫132 的傳播，則可在區(qū)域133和135中采用相同類型的水泥。下面描述密封劑 的合適材料。下面的細節(jié)描述了各種施加破裂力或者壓力以使水泥在井孔中期望 的位置破裂的方法?？赏ㄟ^套管和/或密封塞子施加控制載荷以借助一個或多個力或者壓 力傳遞元件在水泥中引起裂縫。接觸元件的形狀、數(shù)量和位置可改變以優(yōu) 化該過程。在一個實施例中，可在套管中重新設置施加力的工具，并且重 復該過程或者可配置作為這樣的元件的(垂直)陣列的裝置。圖2A和2B示出了一種這樣的井下工具24的例子。在該例子中，液 壓力被施加至安裝在輸送管241中的錐形楔242的頂部?？蛇x擇地，可經(jīng) 電子或者水力電動機(未示出)驅(qū)動的螺桿機械裝載該楔。楔通過經(jīng)輸送 管241送入的銷243向套管21傳遞力?？稍O計銷243的位置和數(shù)量以優(yōu) 化水泥23中的裂縫232的數(shù)量。該銷還可用于對套管21穿孔。當采用和 圖1的套管11相似的具有阻塞狹縫的套管時，工具24可用于如下所述穿 過在填充和泵送水泥時密封套管中開孔的塞子。在圖3中，示出了局部破裂水泥的方法和工具的其它例子。在圖3A 中，由固化水泥33圍繞套管31。套管在水泥側(cè)具有一個或多個銷釘311， 在內(nèi)側(cè)具有凹口 312。水泥破裂工具34包括連至探針342的活塞341，探 針342通過O環(huán)343伸出工具，該O環(huán)被設計為防止分散材料弄臟彈簧 344。由0環(huán)345密封活塞341，并且活塞341可通過作用在其表面上的 壓縮油或水相對彈簧344被激活。激活時探針尖342進入凹口 312并迫使 銷釘311進入固化水泥33，產(chǎn)生裂縫332。由楔或者彈性擋圈346防止活 塞341縮回。工具34然后移至套管的下個銷釘/凹口并且根據(jù)需要重復操 作。在圖3B中，示出了變化的套管，其包括局部破裂水泥的可移動元件。 固化水泥33鄰接容納一個或多個腔311的套管31，每個腔都包括通常由 彈簧311保持在托架313上的活塞312。由彈性擋圈315將組件保持在合適位置。活塞312的水泥側(cè)具有釘316和防止未固化水泥進入活塞/彈簧 區(qū)域311的軟塞材料317。在水泥固化后，由容納在工具35中的錐形塞 351 (部分示出)在液壓力作用下推進活塞。任何其它可用的力例如在電 線運輸中電力獲得或者在盤繞管運輸中水力獲得的力可設想用于產(chǎn)生將 釘316推至水泥33的力。釘316使水泥破裂。通過裂縫產(chǎn)生的流體可流 過套管中的狹縫例如上面圖1所示出，或者采用套管31中的腔311通過 活塞312中心的孔(未示出)流動，或者通過兩者的組合流動。在所有情 況下，變形形式的套管可包括不同突起的釘，允許選擇裂縫尺寸、位置和 數(shù)量。這些釘還可沿包括作為封堵材料的可溶于油的樹脂的側(cè)孔設置。在圖3C所示出的簡化實施例中，釘316從套管31突出，或者部分 或者全部插入彈性材料318的塞子中，塞子提供用于釘?shù)膹椥缘黧w密封 的座。在圖3A—3C的實施例中，在水泥通過摩擦材料或者包括槽(凹口) 或者活塞中的座的裝置初始破裂后，釘可保持在合適位置。在圖3D中將 活塞表面上的該變化表示為319?？稍O想其它方式定位釘而不縮回同時維 持應力。在一些情形中，這些釘可包括監(jiān)視產(chǎn)出流體的流速、溫度和組成的傳感器?？蛇x擇地，當套管的厚度減小時可單獨使用彈性體以定位插入物并防 止水泥滲漏(參見圖3B)。插入物、釘或者銷可在施加負載之前伸進套 管外部的水泥中。另一個施加控制壓力的選擇為采用爆炸裝置以增加套管內(nèi)的液壓力 以破碎環(huán)形空間中的水泥或產(chǎn)生局部壓力波的成形填充物。和不用射孔彈 (bullets)操作炸藥(explosive charge)的本發(fā)明的方法相比，Teplitz在 US 3 026 936中建議的采用射孔彈以在套管中穿孔或者破碎水泥不能對壓 力范圍和力的位置提供類似的控制。爆炸裝置可穿過或者不穿過套管。在 圖4的例子中，由撓性管傳送的射孔器44被示出為下至井孔中。射孔器 承載大量炸藥。可將炸藥封裝在小的壓力腔441內(nèi)，該壓力腔暴露于流體 并將沖擊波有效地耦合至套管41。這對套管產(chǎn)生大的液壓沖擊，這一點 在破碎水泥43時是有利的。10射孔裝置(炸藥)被用于對套管穿孔并穿過地層以增加產(chǎn)量。特別是 在射出的孔附近和當使用高密度時存在明顯的水泥。作為穿透度非常低的簡單射孔彈的管道打孔器(tubingpuncher)可用于僅僅穿過套管?？捎膳渲迷阡摾|起下工具上的電磁操作錘代替炸藥(explosive)。該 錘設置在套管附近并被激活，在套管上振鳴(ringing)，沖擊波造成水泥 以已知的方式破裂?？刂频恼駝幽芰窟€可用于使水泥破裂。再一次，采用配置在鋼纜上的 裝置，可從小卡圈(collar)膨脹環(huán)并將環(huán)夾緊在套管上。然后已知的或 頻率優(yōu)化的振動篩(shaker)裝置可以以足夠高頻的能量激發(fā)套管以產(chǎn)生 徑向裂縫。振動的頻率和幅度可被調(diào)節(jié)以適應深度和環(huán)境壓力和溫度以優(yōu) 化所形成的裂縫的尺寸。聲源可具有減小所生產(chǎn)的石油粘度的輔助和有利 作用。另一種方法為對套管表面施加熱量以促進水泥膨脹和破裂，同時減小 烴流體的粘度。例如，可配置采用輻射或者感應的局部加熱以在預定區(qū)域 中使水泥破裂。在該情況下，在鋼纜(wireline)上放下工具以傳送9kW (甚至更高脈沖)的能量。采用聚焦探針(以和上述銷相似的方式)將該 能量轉(zhuǎn)化為熱量。該銷將熱能以非常精確的方式聚焦在水泥中。另一種解決方案為采用和用于可膨脹套管的心軸(mandrel)相似的 心軸。從地面牽拉心軸從而根據(jù)需要使套管的一部分變形。心軸的形狀可 被調(diào)節(jié)以產(chǎn)生套管永久的變形量，不僅保障產(chǎn)生裂縫而且保證其保持打 開。變形量可適合于以張力和剪切力引發(fā)水泥中的裂縫并且當該特征有利 時提高裂縫密度。還可采用多個心軸以根據(jù)需要進一步使套管膨脹和使水 泥破裂。在某些情形中，心軸可包括可改變套管、水泥和濾餅表面性能的 化學物。還可通過采用施加于套管內(nèi)部的液壓力實現(xiàn)對套管的控制膨脹。 除了上述的步驟，電場、伽馬射線、或者X射線可用于在破裂前或 者破裂后使水泥退化。作為破裂力的來源的這些可能選擇中， 一些例如液壓力、熱或者其它 使套管膨脹的裝置不易限制并且可能產(chǎn)生期望區(qū)域外部的裂紋。該情況 下，裂紋在水泥中的分布可通過和固化水泥接觸的套管51的表面形狀被局部化并且被控制。在圖5A — 5C中提供了的適合用于該目的的一些套管構(gòu)造的例子，并且分別包括軸向刀口肋511、周向刀口肋512和尖突起513。 根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，可采用其它力或壓力傳遞元件——包括但不限 于套管中的槽、改造的扶正器等，以及它們的任意組合。如果采用常規(guī)套管柱，則在充填和固化水泥后對該套管射孔或者切 割。這樣的套管改變需要采用如上所述的射孔工具，套管鉆具或者噴水嘴 (water jet)?？赏ㄟ^磁臂將噴水嘴保持在套管表面附近并和套管上各種位置 相接觸地旋轉(zhuǎn)。噴嘴直徑和排水速度可用于控制狹縫寬度?？捎删卤煤?在鋼纜上傳送的牽引車提供噴射。在該方法的另一種變形形式中，可通過 沿撓性管泵送流體以激勵井下泵來提高可用功率。但是，優(yōu)選改變該套管以允許作為初次注水泥過程的一部分執(zhí)行根據(jù) 本發(fā)明的完井。因此，任何上述變形形式得益于采用例如圖1所示的具有狹縫或者破 碎薄弱區(qū)域或者網(wǎng)格形幵孔的套管，所述開孔被覆蓋、阻塞或者切割至少 于套管厚度以保持最小壓差量。當激活破裂力時將使蓋或者塞子破裂或穿 孔?？蛇x擇地，由從地面泵送或者從地層流出的流體溶解蓋或者塞子。圖 6示出了這種套管或者篩管的例子。在圖6中，套管61的下半部具有多個開孔613，每個開孔在充填和 泵送水泥時被填充，圖中以放大視圖示出塞子614。塞子材料可以為溶于石油的樹脂、易碎材料或者具有高熱膨脹率的材 料。該塞子可設置為在水泥水合期間破裂或者熔化，或者接觸石油或水時 溶解?？蛇x擇地，它們可在套管膨脹時熔化或者破裂，或者在水泥成為凝 膠之后但是在固化之前通過下至井中的工具被拉出。一般地，套管或者篩管中的開孔的寬度將優(yōu)選小于破裂的水泥中的范 圍(作為防止完井失敗和出沙的額外防護措施)，優(yōu)選最多為地層沙顆粒 直徑的2.5倍。剩余的水泥碎片可能比該顆粒大得多(可能處于0.3mm至 lmm的范圍內(nèi))，并且然后將不能通過套管或者篩管產(chǎn)生。篩管或者套 管的滲透率大于破裂的水泥，但是其仍然可具有未被射孔的區(qū)域以防止崩 潰并消除在井中的額外圓形(環(huán))支承件的需要。沒有開孔的該區(qū)域可包 括如在上面例子中所描述的錐形或者楔形的多個表面。盡管常規(guī)套管由鋼制成，但是對于本申請可設想其它金屬和/或非金 屬套管(例如聚合物或者復合材料)。圖7中示出了可選擇的變形套管的示意圖。在該方法中，絲網(wǎng)711被 連至射孔或者割縫的套管71的背面。該網(wǎng)可以用石油或者水溶性聚合物712涂敷在外部，以允許在套管背面在初次注水泥時將水泥73以漿狀充 填。當石油或者水透過篩管中的孔/狹縫713時，其將到達聚合物涂層并 使其溶解。通過篩管中的孔對水泥施加壓力，這將減小所需要的破裂應力。 可選擇地，可通過水泥的高pH (-13)環(huán)境和在井孔中施加額外應力 時的破裂改變涂層712。篩管的該變化允許初次注水泥、減小的水泥失效 壓力、提高篩管后面的滲透率(連通性)、并使水泥中的收縮應力的影響 最大。現(xiàn)在討論用于本發(fā)明的水泥材料的期望和優(yōu)選特性，水泥的重要特性 為其收縮性、壓縮強度、彈性性能和液體滲透性。這些特性將決定水泥性 能和其破裂方式。僅僅通過例子，觀測了標準級G水泥漿的收縮(膠凝以后)，結(jié)果 在套管上產(chǎn)生0.01%的應變。示出這一點的實驗室實驗在沒有過量水的情 況下進行，結(jié)果為產(chǎn)生切線拉應力和從外表面至套管形成的拉伸裂紋。盡 管前面的分析涉及G級水泥漿，但是本發(fā)明的實施例不限于采用該水泥 并且可以用于其它水泥、水泥漿、水泥狀混合物等等。最大化水泥漿的收 縮同時減小伸拉強度可造成水泥中的自然裂縫。在填充水泥后，井底溫度 將升高(有時升高20°C)，提高了水泥中的切向拉應力。以標準水泥漿 輸入和以砂巖作為地層并使用7英寸(178mm)套管進行軟件模擬。固化 水泥的楊氏模量E為5Gpa，拉伸強度為3Mpa，并且在套管膨脹0.13。％時 受拉破壞。還可通過提供地層和水泥之間的濾餅層、地層和水泥或者未膠 結(jié)地層之間的間隙或者微環(huán)改變、優(yōu)選減小破裂水泥所需要的應力。可由 水泥在固化期間的明顯收縮形成該間隙。采用自立式7英寸套管的薄壁圓筒近似，該膨脹將需要c" 15MPa的 壓差。采用軟件模擬并允許水泥和巖石中的應變，拉伸斷裂(失效)將需 要37MPa的升壓，對于組合的拉伸環(huán)向應力和壓縮徑向應力需要更高應 力。將該變形套管的楊氏模量E和泊松比率v改變?yōu)閷嗟闹?，將使需要的壓力減小至大約15MPa，而將鋼改為非金屬材料(例如塑料)(E 二200MPa， v = 0.45)使破裂所需要的井孔壓力減小至大約13MPa。該完井技術(shù)不需要柔性水泥。相反，優(yōu)選具有最小可能拉伸強度的易 碎材料。但是，在本發(fā)明的一些實施例中，可采用柔性水泥。在某些環(huán)境 中，巖石將和固化水泥的破裂同時破裂，產(chǎn)生繞過內(nèi)或外濾餅的可能，該 濾餅常常形成水泥和地層之間的附加層?？僧a(chǎn)生多個徑向裂縫并建立微裂縫同時限制裂縫彎曲的水泥基材料 的設計很重要。該材料可以為常規(guī)水泥漿，即與其它添加劑混合或者不與 其它添加劑混合的水泥和水。可選擇地，其可以是設計為可滲透并且通過 重復破裂(refractruing)可補救的水泥。但是，破裂后，所產(chǎn)生的滲透率 遠大于滲透率的初始值。還可通過聲源振動水泥以從裂縫去除碎屑。配方 將允許密度范圍變化和添加降濾失劑?？筛鶕?jù)井的方位根據(jù)需要盡量減少 或者盡量增加自由水擴展。水和水泥比率將在0.2和0.6之間變化，并且 其它添加劑可用于改變應力響應。在配方中可包括如用于常規(guī)系統(tǒng)的分散 劑、緩凝劑和防沫劑。盡量增加裂縫分布的方法可以為-具有可溶于油的或者疏水層的非粘接(bonding)顆粒-聚結(jié)物添加-用于裂縫延伸和增溶的纖維或者板 -乳狀液滴的聚結(jié)-通過滲透膨脹產(chǎn)生裂紋的石油膨脹顆粒 -最大化的收縮率在上面列出的變形形式中，可將疏水顆?；蛘呔酆衔锾砑又粱|(zhì)中以 降低生成的水對水泥基質(zhì)的影響，例如結(jié)垢或者基質(zhì)溶解。一般地，在石油工業(yè)向水泥加入顆粒以改變密度和增強強度和柔韌 性。這些顆?？梢詾榈V物基或者聚合物基的顆粒。顆?？梢跃哂袕睦w維到 板到球的任意形狀。其它復雜的幾何形狀可適用。聚結(jié)物改變水泥基質(zhì)中的應力分布以及界面處固化水泥的結(jié)構(gòu)。特別 是如果在石油生產(chǎn)時將顆粒移除，則聚結(jié)物一水泥界面上裂紋的重新定向 可造成滲透率提高。聚結(jié)物顆粒的直徑可為lmm。這些聚結(jié)物可以為來 自裂縫的礦物、粘土、花崗巖、耐熱玻璃、礦渣、飛塵、壓碎的混凝土、木材或者碳黑?？商砑舆@些顆粒以提高水泥的易碎性?？蛇x擇地，在可通過水泥和聚結(jié)物之間的膨脹系數(shù)差促進基于水泥的 復合物的破裂的溫度下，孔壓力下降導致有效應力提高和在極端溫度下水合物的分解。如果部分水泥保持未水合，則還可實現(xiàn)沒有填料(filler)的 水泥破裂。然后，裂縫可通過硅酸鹽凝膠、氫氧化鈣晶體并在未水合水泥 顆粒周圍形成。在選擇配方中，可添加具有油溶層的非粘接(bonding)顆粒。該油 溶層可產(chǎn)生于添加至初始配方的瀝青混合料(asphaltene)和/或樹脂乳膠?？善屏阉嗫捎捎偷我约癙ortland水泥、乳化劑、水泥緩凝劑和水組 成?？筛鶕?jù)需要調(diào)整配方密度。表面劑在高pH和溫度下可能不穩(wěn)定，造 成聚結(jié)。在破碎過程中，水泥基石破碎，充油孔被連接。這些石油潤濕孔 填充來自儲層的石油，并且如果生產(chǎn)水則表面層可防止方解石或者其它礦 物沉淀?？梢砸愿唧w積率選擇木材、聚合物、粘土、聚丙烯、橡膠和水凝膠使 得當和石油接觸時膨脹應力可有助于剩余水泥基質(zhì)的破裂。因為產(chǎn)物的體積率低于反應物的體積率，所以水泥在固化時收縮。一 旦發(fā)生凝膠作用，則缺少過量水可進一步提高水泥的收縮?？赏ㄟ^在水泥 漿中添加滲透率降低試劑而阻止從可滲透地層吸收水。這樣的收縮可造成 徑向構(gòu)造的裂縫。可通過提高水泥中鋁酸鹽相的濃度或者通過改變水和水 泥比率而最大化該收縮?？蛇x擇地，可添加膨脹劑例如氧化鈣和氧化猛以 進一步提高水泥基質(zhì)中的應力。在石油工業(yè)中用于儲層完井的可滲透水泥的概念不是新的。這些材料 包括泡沫、油滴或者可降解顆粒。這些材料可形成用于該應用的特定水泥 的基礎。在圖1C和1D中以134示出的密封劑被設計為防止裂縫在環(huán)形間隙 后向上和/或向下游傳播或者用作壓力密封。該材料可以為改性的水泥或 者有機材料。例如在英國專利申請GB 2398582中詳細描述了用于該密封 的合適材料。該材料為柔性的固化材料并且其楊氏模量大約為1000MPa 或更低?？蓧嚎s地配置該材料或者和石油接觸時可膨脹。在水泥破裂需要水泥和地層之間的濾餅的情況下，可能必須改變現(xiàn)有以保證出現(xiàn)該層。但是，在其它情況下濾 餅的存在可能減小經(jīng)過破裂的水泥的流動，因此可保證完全去除濾餅。在常規(guī)水平固井中，需要以6m間隔設置扶正器以獲得推薦的至少67 X的API偏距比(stand—off)并允許合適的水泥充填。對這些應用，優(yōu) 選居中的套管。但是由于不需要充分清潔孔所以偏距比不嚴格。扶正器可 以間隔開超過6m并且可以為摩擦減小的滾輪或者專用濾餅去除裝置?？?選擇地，可將扶正器設計和設置為允許水泥湍流填充以促進濾餅清除。鉆井泥漿濾餅形成在儲層巖石外側(cè)，并且如果巖石滲透率高于-來自 儲層的50mD聚合物(黃原膠、淀粉、硬葡聚糖)，則鉆井液可侵入巖石。 該侵入將導致生產(chǎn)率降低。在填充水泥后將不能進行任何常規(guī)的清除工 作。 一種選擇為鉆探欠平衡目的層，減少侵入并因此產(chǎn)生濾餅?？蛇x擇 地，固化時水泥的收縮可使得濾餅不受濾餅和水泥之間壓力的支承。產(chǎn)出 的石油可使濾餅破裂并可能替換內(nèi)部固體。在水泥膨脹時也有可能改變?yōu)V 餅。在另一種方法中可在破裂時將濾餅嵌入水泥并通過聲學清除工具移 走?？蛇x擇地，承載酶基破膠劑(breaker)的液體可通過水泥注入?？蛇x 擇地，可通過使注水泥流體通過而部分移走濾餅?？赏ㄟ^向所有基于水 泥的配方添加降濾失劑而防止水泥濾液浸入地層。在該情況中，采用聲響 裝置清除水泥中裂紋和移走內(nèi)部濾餅是可能的。包括降濾失劑的可破裂水 泥可限制水泥固體浸入地層?？刹捎盟峄幚碓鰪娀蛘呋謴透鶕?jù)任意上述方法產(chǎn)生的裂縫的滲透 率。可將優(yōu)化的酸性溶液擠入破裂的水泥以進行清除或者用于在進一步破 裂之前提高水泥的滲透率?？裳刂坠鼙砻娣胖迷撍崂?2%HC1 / 3% HF的混合物。該酸還可包括醋酸、蟻酸或者檸檬酸或者上述混合物。可選擇地，例如用于擠注處理的材料可用于阻擋水泥中的不需要或者 大裂縫。該材料可以是基于水泥的或者有機材料或者兩者的組合。可在產(chǎn) 水時或者在當通過篩管出沙時的異常情況中噴射該材料。該補救允許根據(jù) 需要完井控制和重新鉆井。補注流體可在撓性管中傳送到井中，或者其可提供給用于破裂的釘或 銷(如上所述)內(nèi)側(cè)的套管。本發(fā)明的范圍可擴展用于下套管井補救或者預先充填的礫石過濾層(gravel packs)的礫石充填工具。本發(fā)明的變形形式可包括如下步驟，將 可固化材料層填充于射孔套管中和采用任何一種上述方法使可固化材料 破裂的固體塊或者護套以將其轉(zhuǎn)化為常規(guī)礫石濾層的功能等同物。在該情 況下充填和破裂水泥可能需要采用封隔器技術(shù)隔離待放置礫石濾層(gravel packer)的井段。礫石過濾層通常具有40—50Darcy的滲透率。盡管比常規(guī)地層滲透率 大得多，但是其被設計為允許礫石過濾層在服務期限內(nèi)由于被顆粒例如生 成的沙或者濾餅殘渣部分阻擋而使?jié)B透率下降。在水泥中連接套管和地 層的線性和恒定寬度的徑向裂縫的簡單模型中，顯示由k二sw"12給定徑 向流的滲透率，這里w為裂縫寬度，e為裂縫孔隙率，即s二 (線性裂縫 體積)+ (水泥總體積)。所產(chǎn)生沙子的顆粒尺寸通常從O.l至5mm，從 而水泥裂縫寬度應當優(yōu)選為大約O.lmm，盡管如果已知所產(chǎn)生沙子較大時 可允許更大的寬度。采用裂縫寬度w=0.2mm,常規(guī)裂縫孔隙率0.01產(chǎn)生 k=30xlO—12m2，或者 30Darcy，接近于常規(guī)礫石過濾層滲透率。假定井 孔中水泥預期收縮水平為0.5%或更高，則可解釋該裂縫孔隙率。其經(jīng)受 如上所述的顆粒阻塞隨時間退化，用于礫石過濾層。因此，當采用任何一 種上述方法置于套管井中并被破裂或者破碎時，水泥套或者水泥塊可代替 完井中的常規(guī)礫石濾層。該新的礫石濾層的其中一項優(yōu)點為作為漿狀初始 置于井孔的潛力，并且當如上所述受到阻擋時還可進行隨后的補救(重新 破裂)處理。圖8的流程圖描述了根據(jù)本發(fā)明的例子的一些步驟，其包括局部破裂 作為井套管的水泥的步驟81，保留該破裂的水泥層作為沙濾器的步驟82 和通過過濾器和(可選地預先形成但是初始被阻塞)套管中的開孔開釆井 的步驟83。如在上述發(fā)明概述部分所述，在步驟82，除了用作沙過濾器 以外，水泥套管中的局部裂縫可用于控制流體流入和/或流出井孔。這樣， 本發(fā)明的實施例可提供對井孔局部射孔的選擇，其可用于向地層中的注入 區(qū)注入流體和/或控制流體從儲層至井孔的流動。
權(quán)利要求
1.一種在井中在地層和管形套管之間建立流體連通的方法，所述方法包括如下步驟在套管和地層之間的環(huán)形空間中提供可固化材料并且在固化后使可固化材料破裂，從而通過套管中的開孔建立流體連通，特征在于裂縫的位置被限定，并且破裂的材料阻擋地層沙和其它固體顆粒通過。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中可固化材料中裂縫的限定位置提供 對地層流體流入井中的控制。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中不對井射孔地提供所述對地層流體 流入井中的控制。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中可固化材料中的裂縫定位為對應一個或多個產(chǎn)層。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中可固化材料中的裂縫的限定位置提 供對從井中進入地層的注入流體的流動的控制。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中采用局部化的力或者壓力限定裂縫 位置。
7. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中使可固化材料破裂的步驟包括使鄰近待破裂材料的套管局部變形。
8. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中使可固化材料破裂的步驟包括對鄰近待破裂材料的套管施加局部沖擊波。
9. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過引爆炸藥產(chǎn)生局部沖擊波。
10. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中通過引爆成型炸藥而不使用射 孔彈產(chǎn)生局部沖擊波。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中采用套管上的力或者壓力局部 化元件限定裂縫的位置。
12. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中力或壓力局部化元件為套管中 的開孔或者套管內(nèi)或者外表面上的突起元件。
13. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中突起元件包括尖銳或者刃形元件。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中采用套管上的熱或者輻射局部 化元件限定裂縫的位置。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在套管和可破裂性降低的 地層區(qū)域之間引入可固化材料限定裂縫的位置。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中通過從地面注入包括至少兩種不同的可固化材料的流體串在套管和可破裂性降低的地層區(qū)域之間引入 可固化材料來限定裂縫的位置。
17. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中可固化材料中的一種比另一種 更有彈性。
18. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中可固化材料中的一種包括促進 裂紋或裂縫形成的添加劑。
19. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中可固化材料為水泥類材料。
20. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中采用固化后可滲透的可固化材 料增強流體連通。
21. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中采用酸化處理增強流體連通。
22. 如權(quán)利要求1所述的方法，在設置套管之后但在初始生產(chǎn)之前 在套管初次注水泥時采用該方法。
23. 如權(quán)利要求l所述的方法，其用作在生產(chǎn)開始后的補救處理。
24. —種在井中在地層和管形套管之間建立流體連通的方法，所述 方法包括如下步驟在套管和地層之間的環(huán)形空間中提供可固化材料并且 在固化后使可固化材料破裂，從而通過套管中的開孔建立流體連通，特征 在于該套管包括預先形成的開孔，所述開孔在井中設置套管期間對可固 化材料臨時堵塞，并且，在設置套管后通過設計用于防止產(chǎn)生沙或者固體 產(chǎn)物的破裂的固化材料層將套管的開孔與地層隔開。
25. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中在可固化材料固化后去除堵塞。
26. 如權(quán)利要求20所述的方法，采用破裂步驟同時去除堵塞。
27. 如權(quán)利要求20所述的方法，采用從地層產(chǎn)生的流體去除堵塞。
28. 如權(quán)利要求20所述的方法，采用可溶解材料的塞子堵塞所述預 先形成的開孔。
29. —種用于防砂的套管，具有預先形成的開孔，所述開孔在井中 設置套管和可固化材料注入井孔期間被臨時堵塞，所述開孔可被去除以允 許地層流體通過破裂的固化材料層流入井中。
全文摘要
描述了一種減小出砂的方法和工具，包括如下步驟，使套管周圍的局部區(qū)域中的水泥護套破裂，使所述破裂的區(qū)域用作地層和套管的開孔之間的沙過濾器，所述開孔最佳地預先形成，但是被臨時堵塞以允許常規(guī)的套管初次注水泥。破裂步驟還可用于重新打開堵塞的地層或者篩管的補救操作。
文檔編號E21B43/263GK101253306SQ200680032136
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者伊恩·庫珀, 加里·瑞特斯克, 斯科特·雅各布斯, 格拉爾德·米特恩, 約瑟夫·阿尤布, 艾哈邁德·哈馬米, 菲利普·拉庫爾-加耶, 薩德·巴爾加奇, 西蒙·詹姆斯, 讓·德羅什, 貝爾納黛特·克拉斯特 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司