способ и система для образования трещин в геологическом пласте, окружающем ствол скважины

Формула изобретения

1. Способ образования трещин геологического пласта, окружающего ствол скважины, включающий следующие стадии:

размещение в скважине, по меньшей мере, одного топливного устройства, имеющего корпус;

размещение топлива полностью в корпусе;

размещение в корпусе обрабатывающего материала, содержащего твердый предшественник кислоты;

поджигание средства зажигания топливного устройства для разрыва, по меньшей мере, одного отверстия в корпусе;

сжигание топлива в, по меньшей мере, одном топливном устройстве для увеличения давления в стволе скважины для образования трещин в геологическом пласте;

подача обрабатывающего материала через, по меньшей мере, одно отверстие корпуса в трещину для сжигания топлива.

2. Способ по п.1, в котором подачу обрабатывающего материала в трещину при увеличении давления в стволе скважины осуществляют посредством использования газов, образующихся при сжигании топлива.

3. Способ по п.1, в котором обрабатывающий материал дополнительно содержит расклинивающие наполнители.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий сжигание топлива во втором топливном устройстве через заранее заданный период времени после сжигания топлива в первом топливном устройстве.

5. Способ по п.1, содержащий введение обрабатывающего материала в топливо.

6. Способ по п.1, содержащий покрытие наружной поверхности топлива обрабатывающим материалом.

7. Способ по п.1, в котором средство зажигания представляет собой детонационный шнур.

8. Способ по п.1, содержащий покрытие внутренней поверхности корпуса обрабатывающим материалом.

9. Способ по п.1, в котором обрабатывающий материал содержит твердый предшественник кислоты, смешанный с материалом, вступающим в реакцию с твердой кислотой.

10. Способ по п.9, в котором твердый предшественник кислоты выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и из смеси, и материал, вступающий в реакцию с твердой кислотой, выбран из группы, включающей гидроксид магния, карбонат магния, карбонат магния-кальция, карбонат кальция, гидроксид алюминия, оксалат кальция, фосфат кальция, метафосфат алюминия, стекло на основе полифосфата натрия-цинка-калия и стекло на основе полифосфата натрия-кальция-магния.

11. Способ по п.1, в котором твердый предшественник кислоты выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и их смеси.

12. Система для образования трещин в геологическом пласте, окружающем ствол скважины, содержащая корпус с полностью размещенном в нем топливом, средство зажигания, размещенное в корпусе для разрыва, по меньшей мере, одного отверстия в корпусе, обрабатывающий материал, содержащий твердый предшественник кислоты и расположенный в корпусе до поджигания средства зажигания, при этом отверстие обеспечивает передачу в ствол скважины увеличенного давления, созданного при сжигании топлива, для образования трещины в геологическом пласте, и обрабатывающий материал способен перемещаться в трещину при сжигании топлива.

13. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал содержит расклинивающие наполнители.

14. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал содержит расклинивающие наполнители, суспендированные в жидкости.

15. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал содержит твердый предшественник кислоты, смешанный с материалом, вступающим в реакцию с твердой кислотой.

16. Система по п.15, в которой твердый предшественник кислоты выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и из смеси, и материал, вступающий в реакцию с твердой кислотой, выбран из группы, включающей гидроксид магния, карбонат магния, карбонат магния-кальция, карбонат кальция, гидроксид алюминия, оксалат кальция, фосфат кальция, метафосфат алюминия, стекло на основе полифосфата натрия-цинка-калия и стекло на основе полифосфата натрия-кальция-магния.

17. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал введен в топливо.

18. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал покрывает наружную поверхность топлива.

19. Система по п.12, в которой средство зажигания представляет собой детонационный шнур.

20. Система по п.12, в которой обрабатывающий материал покрывает внутреннюю поверхность корпуса.

21. Система по п.12, в которой твердый предшественник кислоты выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту и их смеси.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к добыче углеводородов из скважины, более точно к перфорированию и разрыву геологического пласта, окружающего скважину.

Один распространенный способ перфорирования и разрыва геологического пласта для стимулирования добычи может включать в себя операции проникновения в эксплуатационную зону посредством снаряда и создания гидравлического давления в стволе скважины для расширения или распространения трещин, созданных снарядом. Как правило, давление вокруг эксплуатационной зоны в скважине может быть увеличено посредством закачивания текучих сред в часть скважины для получения высоких давлений, необходимых для расширения трещины в эксплуатационных зонах. Следовательно, данный способ может оказаться чрезвычайно дорогим вследствие подготовки, необходимой для повышения давления в данной части скважины.

Согласно изобретению создан способ образования трещин геологического пласта, окружающего ствол скважины, включающий следующие стадии:

размещение в скважине, по меньшей мере, одного топливного устройства, имеющего корпус;

размещение топлива полностью в корпусе;

размещение в корпусе обрабатывающего материала, содержащего твердый предшественник кислоты;

поджигание средства зажигания топливного устройства для разрыва, по меньшей мере, одного отверстия в корпусе;

сжигание топлива в, по меньшем мере, одном топливном устройстве для увеличения давления в стволе скважины для образования трещин в геологическом пласте;

подача обрабатывающего материала через, по меньшей мере, одно отверстие корпуса в трещину при сжигании топлива.

Подача обрабатывающего материала в трещину при увеличении давления в стволе скважины может осуществляться посредством использования газов, образующихся при сжигании топлива.

Обрабатывающий материал может дополнительно содержать расклинивающие наполнители.

Способ может дополнительно содержать сжигание топлива во втором топливном устройстве через заранее заданный период времени после сжигания топлива в первом топливном устройстве.

Способ может содержать введение обрабатывающего материала в топливо или покрытие наружной поверхности топлива обрабатывающим материалом или покрытие внутренней поверхности корпуса обрабатывающим материалом.

Средство зажигания может представлять собой детонационный шнур.

Обрабатывающий материал может содержать твердый предшественник кислоты, смешанный с материалом, вступающим в реакцию с твердой кислотой.

Твердый предшественник кислоты может быть выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и их смеси, и материал, вступающий в реакцию с твердой кислотой, может быть выбран из группы, включающей гидроксид магния, карбонат магния, карбонат магния-кальция, карбонат кальция, гидроксид алюминия, оксалат кальция, фосфат кальция, метафосфат алюминия, стекло на основе полифосфата натрия-цинка-калия и стекло на основе полифосфата натрия-кальция-магния.

Согласно изобретению создана система для образования трещин в геологическом пласте, окружающем ствол скважины, содержащая корпус с полностью размещенном в нем топливом, средство зажигания, размещенное в корпусе для разрыва по меньшей мере одного отверстия в корпусе, обрабатывающий материал, содержащий твердый предшественник кислоты и расположенный в корпусе до поджигания средства зажигания, при этом отверстие обеспечивает передачу в ствол скважины увеличенного давления, созданного при сжигании топлива, для образования трещины в геологическом пласте, и обрабатывающий материал способен перемещаться в трещину при сжигании топлива.

Обрабатывающий материал может содержать расклинивающие наполнители, которые могут быть суспендированными в жидкости.

Обрабатывающий материал может содержать твердый предшественник кислоты, смешанный с материалом, вступающим в реакцию с твердой кислотой.

Твердый предшественник кислоты может быть выбран из группы, включающей лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и их смеси, и материал, вступающий в реакцию с твердой кислотой, может быть выбран из группы, включающей гидроксид магния, карбонат магния, карбонат магния-кальция, карбонат кальция, гидроксид алюминия, оксалат кальция, фосфат кальция, метафосфат алюминия, стекло на основе полифосфата натрия-цинка-калия и стекло на основе полифосфата натрия-кальция-магния.

Обрабатывающий материал может быть введен в топливо, покрывать наружную поверхность топлива или внутреннюю поверхность корпуса.

Средство зажигания может представлять собой детонационный шнур.

Для более полного понимания вышеприведенных признаков настоящего изобретения ниже приведено более подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи. Однако следует отметить, что приложенные чертежи иллюстрируют только типовые варианты осуществления данного изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может допускать другие столь же эффективные варианты осуществления.

На чертежах изображено следующее:

фиг.1 иллюстрирует скважину, в которой могут быть применены способ и система для образования трещин в пласте согласно изобретению;

фиг.2А-2Е иллюстрируют различные варианты осуществления топливных устройств в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 иллюстрирует блок-схему операций способа образования трещин в геологическом пласте, окружающем ствол скважины, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 иллюстрирует скважину, в которой могут быть реализованы способ и система согласно настоящему изобретению.

В приведенном ниже описании термины "вверх" и "вниз", "верхний" и "нижний", "вверху" и "внизу", "выше по ходу" и "ниже по ходу", "над" и "под" и другие аналогичные термины, указывающие на относительные положения выше или ниже заданной точки или элемента, могут использоваться в связи с различными вариантами осуществления изобретения, описанными здесь. Однако при использовании подобных терминов для оборудования и способов, предназначенных для использования в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, подобные термины могут обозначать "слева направо", "справа налево" или другое соответствующее взаимное расположение.

Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, могут быть использованы для воздействия на геологический пласт, окружающий ствол скважины, которая была перфорирована посредством одного или нескольких способов перфорирования, подобных тем, которые описаны в публикации переуступленной заявителю по настоящей заявке на патент США № 2004/0099418, озаглавленной «Сообщение с пластом посредством создания локальной зоны пониженного гидростатического давления и использования обрабатывающей текучей среды», которая включена в данное описание путем ссылки. Различные варианты осуществления, описанные. здесь, также могут быть использованы для устранения повреждений, вызванных перфорированием, и для удаления обломков породы из отверстий, созданных посредством перфорирования.

На фиг.1 показан ствол 100 скважины, в которой могут быть использованы варианты осуществления настоящего изобретения. Ствол 100 скважины может иметь обсадную колонну 10, которая может быть зафиксирована посредством цемента 20 и проходит от поверхности земли 30 к геологическому пласту 50, окружающему ствол 100 скважины. Топливное устройство 40 может быть соединено с переходным переводником 60, соединенным с каротажным зондом 70, присоединенным к кабельной головке 80, соединенной с талевым канатом 90. Топливное устройство 40, переходной переводник 60, каротажный зонд 70, кабельная головка 80 и талевый канат 90 могут все быть соединены посредством любых пригодных средств, таких как винтовая резьба и т.п. Альтернативно, трос для работы в скважине, гибкий трубопровод, насосно-компрессорная колонна или любые другие пригодные средства могут быть использованы для позиционирования и обеспечения опоры для топливного устройства 40 в стволе 100 скважины.

Топливное устройство 40 может включать в себя корпус 44, имеющий одно или несколько сквозных отверстий 45.

На фиг.2А топливное устройство 40 проиллюстрировано более подробно. Отверстия 45 могут быть равномерно или случайным образом распределены по периферии корпуса 44 и могут проходить вдоль части корпуса 44 или по существу вдоль всей длины корпуса 44. Как описано здесь, термин "отверстие" обозначает сквозное отверстие или отверстие в стенке корпуса 44, которая разрушается при детонации средства зажигания, такого как детонационный шнур (непоказанный). Корпус 44 может быть выполнен из любого металлического материала, такого как высококачественная сталь и т.п.

Топливное устройство 40 содержит топливо 48, размещенное в корпусе 44. Топливо 44 может представлять собой сравнительно медленно сгорающий материал. Топливо 48 может представлять собой любое твердое топливо, имеющее соответствующую скорость горения. Топливо 48 может иметь время сгорания от приблизительно 40 мс до приблизительно нескольких секунд.

Один конец электрического кабеля (непоказанного) может быть присоединен к кабельной головке 80, а другой его конец может быть присоединен к средству для зажигания, такому как электрический детонатор 65, который может быть расположен в переходном переводнике 60. Электрический детонатор 65 может быть замкнут на переходной переводник 60 посредством заземляющего провода (непоказанного), который может быть прикреплен к переходному переводнику 60. Средство зажигания (непоказанное) может быть прикреплено к электрическому детонатору 65 и проходит в топливное устройство 40.

В одном варианте осуществления топливное устройство 40 может быть погружено в обрабатывающий материал 95, который может включать в себя обрабатывающую жидкость, такую как кислота, хелат, растворитель, поверхностно-активное вещество, соляной раствор, фермент, нефть и т.п. Обрабатывающий материал 95 может обеспечить, по меньшей мере, одно из следующего: обеспечение воздействия на зону вблизи ствола скважины; осуществление динамического растекания кислоты таким образом, что количество кислоты, закачанной в каждое перфорационное отверстие в обсадной колонне и прилегающей породе, будет по существу одинаковым; растворение определенных минералов, вымывание остатков наружного слоя в перфорационных отверстиях в обсадной колонне и прилегающей породе; уменьшение вязкости в условиях тяжелой нефти; устранение поверхностного натяжения в перфорационных отверстиях в обсадной колонне и прилегающей породе; улучшение перемещения пустой породы, такой как песок.

В другом варианте осуществления обрабатывающий материал 95 может быть размещен у забоя ствола 100 скважины вокруг топливного устройства 40. В еще одном варианте осуществления обрабатывающий материал 95 может включать в себя расклинивающие наполнители, суспендированные в обрабатывающей жидкости, окружающей топливное устройство 40 у забоя ствола 100 скважины. Расклинивающие наполнители выполнены с возможностью удерживания трещин раскрытыми после гидравлического разрыва пласта. К примерам расклинивающих наполнителей относятся природные песчинки, искусственные или специально разработанные расклинивающие наполнители, такие как покрытый смолой песок или высокопрочные керамические материалы, подобные агломерированному бокситу.

В еще одном варианте осуществления обрабатывающий материал 95 может быть введен внутрь топлива 48, как показано на фиг.2В, или размещен как наружное покрытие топлива 48, как показано на фиг.2С. В еще одном варианте осуществления обрабатывающий материал 95 может быть размещен в виде слоя, покрывающего внутреннюю поверхность корпуса 44 (фиг.2D) или покрывающего наружную поверхность корпуса 44 (фиг.2Е).

Обрабатывающий материал может включать в себя твердый предшественник кислоты, такой как лактид, гликолид, полимер молочной кислоты, полигликолевую кислоту, сополимеры молочной кислоты и полигликолевой кислоты, сополимеры гликолевой кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, сополимеры молочной кислоты с другими составляющими, содержащими оксикислоту, карбоновую кислоту или оксикарбоновую кислоту, и их смеси. Твердый предшественник кислоты может быть смешан с материалом, вступающим в реакцию с твердой кислотой, таким как гидроксид магния, карбонат магния, карбонат магния-кальция, карбонат кальция, гидроксид алюминия, оксалат кальция, фосфат кальция, метафосфат алюминия, стекло на основе полифосфата натрия-цинка-калия и стекло на основе полифосфата натрия-кальция-магния. Обрабатывающий материал 95 может дополнительно включать в себя водорастворимое вещество, которое ускоряет гидролиз твердого предшественника кислоты. Подобное вещество может включать в себя сложные эфиры, сложные диэфиры, ангидриды, лактоны, алкоксиды, карбонаты, бикарбонаты щелочных металлов, спирты, гидроксиды щелочных металлов, гидроксид аммония, амиды, амины, алканоламины и их смеси. Обрабатывающий материал 95 может дополнительно включать в себя кислоту, такую как хлористоводородная (соляная) кислота, фтористоводородная кислота, бифторид аммония, муравьиная кислота, уксусная кислота, молочная кислота, гликолевая кислота, аминополикарбоновые кислоты,

полиаминополикарбоновые кислоты, их соли и их смеси. Твердые предшественники кислот или смеси твердых предшественников кислот и материалов, вступающих в реакцию с твердой кислотой, могут быть получены в различных твердых формах, включая волокна, гранулы, пленки, ленточки и пластинки, но возможные твердые формы не ограничены вышеуказанными. Другие примеры обрабатывающего материала 95 описаны в переуступленной заявителю по настоящей заявке на патент США с порядковым номером 10/605784, озаглавленной «Образование кислоты в скважине при гидроразрыве с кислотной обработкой», которая полностью включена в данную заявку путем ссылки. Скважинная текучая среда 110 для закачивания скважины может быть размещена над обрабатывающим материалом 95, который имеет более высокую плотность, чем скважинная текучая среда.

На фиг.3 проиллюстрирована блок-схема, показывающая последовательность операций способа 300 образования трещин в геологическом пласте, окружающем ствол скважины в соответствии с настоящим изобретением. На стадии 310 обрабатывающий материал 95 размещают у забоя ствола 100 скважины. Обрабатывающий материал 95 может быть различным и включать в себя различные химические вещества, подобные вышеописанным. На стадии 320 топливное устройство 40 спускается в забой скважины до его полного погружения в обрабатывающий материал 95. На стадии 330 осуществляют детонацию топлива 48 посредством использования электрического детонатора 65 или любого другого средства, которое обеспечивает детонацию топлива 48 в стволе 100 скважины. Газы высокого давления, образующиеся в результате сгорания топлива 48, вызывают образование трещин в геологическом пласте 50 и вытеснение обрабатывающего материала 95 в трещины. Таким образом, обрабатывающий материал 95 может быть подан в геологический пласт 50 во время сгорания топлива. Способ детонации описан более подробно в переуступленном заявителю по настоящей заявке патенте США 5355802, озаглавленном «Способ и устройство для перфорирования и образования трещин в скважине», который включен в данную заявку путем ссылки.

Несмотря на то, что варианты осуществления изобретения, описанные здесь, выполнены со ссылкой на одно топливное устройство 40, следует понимать, что они необязательно ограничены использованием одного топливного устройства. Действительно, может быть использовано любое число топливных устройств. Например, на фиг.4 проиллюстрирован ствол 400 скважины, в котором топливное устройство 440 и топливное устройство 450 могут быть размещены у забоя скважины. Как топливное устройство 440, так и топливное устройство 450 могут быть полностью погружены в обрабатывающий материал 495. В одном варианте осуществления топливное устройство 450 может быть подвергнуто детонации, после чего осуществляют детонацию топливного устройства 440 после заранее заданной временной задержки. Сжигание топлива в топливном устройстве 440 может быть осуществлено так, чтобы обеспечить воздействие газов высокого давления в направлении вниз к топливному устройству 450 и по направлению к трещинам, уже раскрытым в результате сжигания, обеспеченного топливным устройством 450. Пакер (непоказанный) может быть размещен над топливным устройством 440 для ограничения потока газов высокого давления в направлении вверх.

Варианты осуществления различных технологий, описанные здесь, могут иметь много преимуществ, включая воздействие на зону вблизи ствола скважины. Трещины, вызванные сжиганием топлива, могут обеспечить проводящий тракт от ствола 100 скважины через поврежденную зону к нетронутой материнской породе, в результате чего создается канал, по которому может быть подан обрабатывающий материал 95. Скорость обработки может способствовать хорошему охвату зоны. В одном варианте осуществления обрабатывающий материал 95 вступает в реакцию с материнской породой для повышения проводимости. Варианты осуществления различных технологий, описанные здесь, можно рассматривать как саму цель или как средство преодоления сопротивления полной кислотной обработке или разрыву пласта. Образованные в результате сгорания топлива трещины создают возможность того, что проводящие каналы, созданные обрабатывающим материалом 95, будут начинаться дальше от ствола 100 скважины в более проницаемой породе.

Другое преимущество настоящего изобретения относится к применению для карбонатных коллекторов. В таких ситуациях может быть желательно подать кислоту в перфорационные отверстия в обсадной колонне и прилегающей породе. Обычно растекание подобной кислоты происходит таким образом, что кислота проходит неравномерно в различные перфорационные отверстия в обсадной колонне и прилегающей породе вследствие того, что кислота стремится проходить в каналы с наименьшим сопротивлением. Однако посредством синхронизации подачи по существу одновременно с нестационарным положительным дифференциальным давлением, созданным за счет сжигания топлива, может быть обеспечено более равномерное распределение кислоты по перфорационным отверстиям в обсадной колонне и прилегающей породе. Нагнетание кислоты в каждое перфорационное отверстие в обсадной колонне и прилегающей породе обеспечивает воздействие на зону вблизи ствола скважины, что может обеспечить улучшение последующей операции очистки.

Несмотря на то что изобретение было описано в терминах, специфических для конструктивных признаков и/или действий, следует понимать, что изобретение, определенное в приложенной формуле изобретения, необязательно ограничено специфическими признаками или действиями, описанными выше. Указанные специфические признаки и действия приведены в качестве примера вариантов реализации формулы изобретения.