[发明专利]低负压系统中油井射孔的方法

说明书

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。