[发明专利]透镜状天然气地层的激发

说明书

                      发明领域

本发明涉及了激发具有透镜状含气地层特征的天然气储藏区的开采。更具体地说，本发明涉及了采用密封球的优化开采方法，多段压裂已适当相隔的各个井和已穿孔的各个区。

                      发明背景

水力压裂是激发地下含碳氢化合物地层开采的已知技术。在常见的操作中，在靠近地层的一个井孔的一个间隔上穿孔，并且用泵把压裂液体压入地层，其压力足以使地层同时沿着离开井孔的横向和沿着井孔长度的垂直方向产生裂缝。通常把如砂石或铝矾土的支撑料与压裂液体混合，以便进入裂缝并且一旦压力降低时保持裂缝张开。这种作业提高了地层的开采率，从而也增加了碳氢化合物的生产率。

水力压裂已成功地应用于多种类型的碳氢化合物地层，特别是渗透性低的储藏区，它要求进行激发来加速开采率，达到可以节省地开发储藏区的流速。偶尔，不得不修改常规的压裂技术来激发一个储藏区。例如，有些储藏区具有许多含碳氢化合物的地层，它们沿着井孔的长度方向垂直地堆积，并且被基本上不渗透的、不含碳氢化合物的地层分开。已经开发了可使每个地层连续压裂的技术。采用临时的措施来封闭相邻于已压裂地层的穿孔，同时在同一地层或另一地层中的不同深度上进行下一个压裂作业。采用如桥式栓塞和压实器的机械装置来隔开作业区，最近，已采用便宜的密封球来进行多区压裂。

虽然水力压裂技术已发展到可以节省地开采许多低渗透性的碳氢化合物地层，但某些类型的天然气储藏区仍难以节省地压裂开采；具体地说，该储藏区的特征在于：在有限地域范围内具有不连续的透镜状含气砂石沉积物。这些透镜状的砂石往往也是“紧密”的，这意味着它们具有低或极低渗透性的特征。这种紧密气体储藏区的主要例子是美国西部Rocky山区中的各个盆地(Greater Green River、Piceance、Wind River和Uinta)，它们在厚地层中包含着无数的透镜状紧密气体砂石。这四个盆地已被断定是美国最大的未开发气体资源，包括多达227×10¹²立方米(8000×10¹²立方英尺)的可采收气体。这些巨大的气体资源基本上保持未开发状态，因为至今尚无开发这些资源的节省方法。

对于开发具有紧密透镜状气体沉积物地层的压裂技术，已经引起了众多的注意。由于可采收气体的巨大储备基地，美国能源部、政府和私人研究室、大学和私人部门均已进行了大量的研究，试图开发压裂技术来节省地开采透镜状地层。至今，这些努力基本上未取得成功。

开始试图进入紧密透镜状地层的方法是核激发。在该计划下，在大直径的井孔内引爆了核爆炸装置，在爆炸周围区域中产生了大的枝状裂缝区。这种试验的最大一次是在科罗来达州Rio Blanco附近一个透镜状气体地层中的核爆炸，威力相当于90,000吨的炸药。除了与核激发有关的明显的环境、健康和安全问题之外，该试验在释放大量储存气体方面没有成功。对爆炸压裂缺乏控制和随后枝状裂缝的闭合，使得核激发计划远未达到预计的气体激发结果。

在1970年代初，选用于激发紧密透镜状气体地层的下一个方法是一个新的过程，称为大量水力压裂(MHF)，它设想采用非常大量的压裂液体和支撑料来建立一条非常长的裂缝，长度达1.6公里(1英里)或以上。在能源部的主持下，联合的工业财团在Rio Blanco区域试验了MHF作业。为了说明这个计划，在MHF试验期间，一个裂缝作业把398,250kg(878,000磅)的砂支撑料喷射到一个28m(91英尺)的地层区段内。尽管该MHF产生了约564m(1,850英尺)的动态裂缝长度和约267m(875英尺)的被支撑裂缝长度，在开采30天之后最终的被激发气体流率仅为3,880标准立方米/天(137千标准立方英尺/天)。(这里所用的术语“动态裂缝长度”是指双翼裂缝的一个翼的长度，它从井孔到由压裂液体产生的一个裂缝顶端为止，而术语“被支撑裂缝长度”，或简称“裂缝长度”，是支撑料从井孔开始达到的距离。)在Rio Blanco试验期间，采用各种MHF规模激发了5个区域。被激发的开采水平低到令人失望，通常小于5,600立方米/天(200千标准立方英尺/天)，压裂后看到的最高开采率是约6,230立方米/天(220千标准立方英尺/天)；远低于开采一年后约42,500立方米/天(1,500千标准立方英尺/天)的所希望的流率，这个流率是达到节省地开采上述矿井所需的流率。