СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ В ПОДЗЕМНЫХ ФОРМАЦИЯХ
METHOD AND SYSTEM FOR PRESSURE CONTROL IN UNDERGROUND FORMATIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится в основном к области сообщения подземной формации со скважиной.
Предшествующий уровень техники
Для завершения скважины одна или несколько подземных формаций вокруг скважины перфорируются для обеспечения прохождения газообразных и жидких углеводородов из зон формации в скважину для их извлечения на поверхность или обеспечения нагнетания текучих сред в зоны формации. Колонна перфоратора может быть опущена в скважину, и заряды могут быть взорваны для проникновения через металлическую обсадную колонну, цемент или другие материалы в скважине и для углубления перфораций в окружающую формацию.
Взрывная природа проникновения перфорационных каналов измельчает прилегающую породу, разрывает песчанные зерна, разрыхляет межзеренную цементацию и разъединяет частицы глины, приводя к низкой проницаемости "поврежденной при ударе области" вокруг каналов. Процесс может также создать канал, заполненный осколками породы, смешанными с осколками заряда перфоратора. Фиг.1 показывает обычный перфорационный канал, созданный в подземной формации. Скважина 10 показана включающей в себя обсадную колонну 12 и слой цемента 14. Поврежденная при ударе область 16 окружает перфорационный канал 18. Протяженность разрушения и количество обломков в канале может зависеть от множества факторов, включающих в себя свойства формации, свойства взрывного заряда, условий давления, свойств текучей среды и так далее. Подвергшаяся разрушению область 16 и обломки в перфорационном канале негативно влияют на добычу углеводорода.
Один популярный способ получения более чистых перфораций состоит в перфорировании при пониженном давлении. Перфорирование производится при пониженном скважинном давлении по сравнению с давлением формации. Перфорирование при пониженном давлении и способ управления скважинным давлением описаны в публикации D. Minto et al., Dynamic Underbalanced Perforating System Increases Productivity and Reduces Cost in East Kalimantan Gas Field: A Case Study, SPE/IADC 97363 (2005); Eelco Bakker et al., The New Dynamics of Underbalanced Perforating, OILFIELD REVIEW, Winter 2003/2004, at 54; и патентах США №№7,243,725, 4,605,074, 6,527,050, 4,903,775. Несмотря на достигнутые улучшения, обычные способы перфорирования ограничены давлением формации и являются относительно неэффективными в формациях с низким давлением.
Существует необходимость в способе и системе для улучшения сообщения формации со скважинами в подземных формациях.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан способ для использования в подземной формации, пройденной скважиной, включающий в себя этапы размещения активированной текучей среды в формации и уменьшения давления в области скважины ниже давления окружающей формации для высвобождения газа в активированной текучей среде вблизи канала, созданного в формации.
В другом варианте способ для использования в подземной формации, пройденной скважиной, включает в себя этапы размещения активированной текучей среды в формации, создания канала в формации вблизи скважины, уменьшения давления в области скважины ниже давления в окружающей формации для выделения газа в активированной текучей среде вблизи канала.
В еще одном варианте способ включает в себя этапы создания канала в формации в области скважины, размещения активированной текучей среды в формации вблизи канала, уменьшения давления в области скважины ниже давления в окружающей формации для высвобождения газа в активированной текучей среде вблизи канала.
Согласно изобретению создана также система для подземной формации, пройденной скважиной, содержащая активированную текучую среду для закачивания в формацию, и устройство для уменьшения давления в области скважины ниже давления окружающей формации для высвобождения газа из активированной текучей среды вблизи канала, созданного в формации.
Краткое описание чертежей
Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном описании со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 иллюстрирует перфорационный канал, сформированный в подземной формации;
фиг.2 - схематический вид системы, включающей в себя устройство для размещения активированной текучей среды и устройство для создания в скважине локальных условий пониженного давления согласно изобретению;
фиг.3 - схематический вид системы, включающей в себя устройство для создания в скважине локальных условий пониженного давления согласно изобретению;
фиг.4 - подробный схематический вид устройства по фиг.3;
фиг.5 - схематический вид системы, включающей в себя устройство для создания в скважине локальных условий пониженного давления и для перфорирования формации согласно изобретению;
фиг.6-8 изображают блок-схемы способов для использования в подземной формации, пройденной скважиной, согласно изобретеню.
Подробное описание
Настоящее изобретение включает в себя размещение в скважине и формации активированной текучей среды так, что при создании в скважине локальных условий пониженного давления из раствора высвобождается газ для устранения повреждения перфорации, вызванного перфорацией. В данном описании термин «активированная текучая среда» означает текучую среду, которая будучи помещенной в окружающую среду с низким давлением выделяет или высвобождает газ из раствора (например, жидкость, содержащая растворенные газы), как это известно в данной области техники. Настоящее изобретение включает в себя активированную текучую среду, содержащую следующее.
Жидкости, которые при забойных условиях давления и температуры являются близкими к насыщению газом. Например, жидкость может быть водой, и газ может быть азотом. С жидкостью, газом и температурой связано давление, являющееся точкой кипения, при которой жидкость является полностью насыщенной. При давлениях ниже точки кипения газ выходит из раствора.
Пены, состоящие в основном из водной фазы и газовой фазы. При высоком давлении качество пены является обычно низким (т.е. объем свободного газа является малым), но качество (и объем) растет при падении давления.
Сжиженные газы.
Текучие среды, включающие в себя газообразные компоненты или сверхкритическую текучую среду для образования активированной текучей среды, описаны в патентах США №№2,029,478, 3,937,283, 6,192,985 и заявках на патент США №№20060178276, 20060166836, 20070238624, 20070249505, 20070235189, 20070215355, 20050045334, 20070107897. Обычные газовые компоненты содержат газ, выбранный из группы, состоящей из азота, воздуха, аргона, углекислого газа, гелия, криптона, ксенона и любой их смеси. Активированные текучие среды, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, включают в себя любую устойчивую смесь газовой и жидкой фаз.
В соответствии с аспектами изобретения комбинация управления скважинным давлением и активированная текучая среда используется для уменьшения или удаления повреждения перфорации. Давление в скважине или интервале управляется в зависимости от давления в резервуаре для достижения удаления обломков их перфорационных каналов. Аспекты управления давлением включают в себя создание условий пониженного давления (давление в скважине меньше, чем давление в формации) во время и/или после перфорирования. Создание условий пониженного давления может быть выполнено несколькими различными способами, такими как использование камеры с низким давлением, которая является открытой для создания динамических условий пониженного давления, использование пустого пространства в перфораторе для падения давления в перфораторе сразу после взрыва кумулятивных зарядов и другие способы, которые могут быть применены до, во время или после перфорирования. Такие способы описаны в патентах США №№6,598,682, 6,732,798, 7,182,138, 6,550,538, 6,874,579, 6,554,081, 7,287,589, 7,284,612, 6,966,377, 7,121,340 и заявке на патент США №20050167108 (все они принадлежат настоящему патентообладателю и полностью включены в данное описание путем ссылки).
В случае пониженного давления поровое давление, окружающее перфорационный канал, падает (обычно на несколько тысяч фунтов на квадратный дюйм) ниже точки кипения, если активированная текучая среда содержит растворенный газ, тем самым выделяя свободный газ, который быстро расширяется в объеме по мере падения давления. В вариантах изобретения, в которых активированная текучая среда является пеной, ее качество увеличивается по мере падения давления, демонстрируя быстрое увеличение объема свободного газа. В вариантах изобретения, в которых активированная текучая среда является сжиженным газом, падение давления вновь высвободит некоторое количество газа.
Это быстрое увеличение объема свободного газа служит двум целям. Во-первых, оно разрушает или ослабляет связь между зернами песка в поврежденной зоне вокруг перфорационного канала, и, во-вторых, высвобождение газа в сочетании с падением давления в скважине создает поток жидкости и газа в скважину, что приводит к удалению любого разрушенного материала. Выход и расширение газа в активированной текучей среде улучшает ее производительность, в частности ее способность выносить твердые частицы из каналов, очищая каналы, через которые могут быть добыты нефть или газ. Итоговым результатом является удаление разрушенного материала, что в конечном счете улучшает производительность скважины.
Активированная текучая среда может быть размещена в формации до перфорирования скважины (например, как часть бурового раствора, до обсаживания) или после перфорирования. В некоторых вариантах изобретения нагнетание активированной текучей среды выполняется с использованием аппликатора, описанного ниже. Локальные динамические условия пониженного давления могут быть созданы с использованием камеры, содержащей жидкость при относительно низком давлении. Например, камера может быть изолированной камерой, содержащей газ или другую текучую среду при низком давлении по сравнению с окружающей средой скважины/формации. Как результат, при открытии камеры внезапный выброс текучей среды проходит в камеру с низким давлением для создания локальных условий низкого давления в области скважины в соединении с открытой камерой.
В некоторых вариантах осуществления камера является закрытой камерой, которая частично образована прилегающей частью, расположенной ниже поверхности скважины. Другими словами, закрытая камера не проходит вся в направлении к поверхности скважины. Например, примыкающая часть может быть клапаном, расположенным в скважине. В качестве альтернативы примыкающая часть может быть изолированным контейнером, имеющим отверстия с элементами, которые могут быть разрушены с помощью какого-либо механизма (например, с использованием взрывного или какого-либо другого механизма). В других вариантах осуществления примыкающая часть может содержать другие типы устройств.
В одном варианте изобретения изолированный контейнер с атмосферным давлением опускается в скважину после того, как формация была обсажена и перфорирована. После размещения активированной текучей среды в формации создаются отверстия (например, с использованием зарядов, клапанов или других механизмов) в корпусе контейнера для создания внезапных условий пониженного давления, приводящих к выделению газа в активированной текучей среде и выбросу текучей среды для удаления разрушенных частиц формации и обломков из перфорационных туннелей.
Фиг.2 показывает систему 50 в соответствии с изобретением. Система 50 включает в себя различные устройства, которые опускаются на требуемую глубину в скважине 10 на несущей линии 54 (например, насосно-компрессорной трубе, кабеле, тросе и так далее). В этом варианте система 50 включает в себя перфоратор 56, выполненный с возможностью осуществления перфорирования сквозь обсадную колонну 12 для создания каналов 18 в формации 60, окружающей область скважины. Перфоратор 56 может быть активирован с помощью различных механизмов, таких как сигнал, переданный по электрическому проводнику, оптоволоконной линии, гидравлической управляющей линии или по другим каналам, известным в данной области техники.
Система 50 дополнительно включает в себя аппликатор 62 для размещения активированной текучей среды в формации 60. Аппликатор 62 может включать в себя камеру 63 под давлением, содержащую активированную текучую среду 65. После открытия отверстия 64 находящаяся под давлением активированная текучая среда 65 в камере 63 сообщается со скважиной 10 и окружающей формацией 60. В качестве альтернативы аппликатор 62 может быть сообщен с трубопроводом текучей среды, который выходит на поверхность скважины или в другую секцию скважины над системой 50 (не показано). Активированная текучая среда затем поступает вниз по трубопроводу текучей среды к аппликатору 62 и через отверстие 64 проходит в формацию. Трубопровод для активированной текучей среды может проходить сквозь несущую линию 54. В качестве альтернативы трубопровод активированной текучей среды может проходить вне несущей линии 54 (не показано).
В некоторых вариантах изобретения аппликатор 62 может быть сконструирован для доставки более одного типа активированной текучей среды в формацию. В одном варианте осуществления аппликатор 62 может включать в себя множество камер для хранения различных типов активированной текучей среды. В качестве альтернативы множество трубопроводов текучей среды может быть обеспечено для размещения множества типов активированных текучих сред в формации. В некоторых аспектах система 50 может включать в себя механизм 66 задержки высвобождения для управления размещением активированной текучей среды 65. При таких вариантах осуществления скорость размещения активированной текучей среды может выбираться для достижения оптимальной производительности.
В аспекте, показанном на фиг.2, депрессионный инструмент 52 размещен в скважине 10 для создания локальных динамических условий пониженного давления. Депрессионный инструмент 52 включает в себя одно или более отверстий 53, которые открываются избирательно для осуществления соединения с внутренней камерой низкого давления внутри депрессионного инструмента 52. Отверстия 53 могут быть открыты с помощью клапана, заряда или каких-либо других механизмов. Различные механизмы могут быть использованы для обеспечения низкого давления в камере депрессионного инструмента 52. Например, насосно-компрессорная труба или управляющая линия могут быть использованы для создания низкого давления.
В другом варианте изобретения динамическое пониженное давление может быть создано во время перфорации. В таких вариантах осуществления активированная текучая среда размещается в формации перед перфорированием (например, перед обсаживанием скважины). Аппликатор 62 или другие устройства могут быть использованы для нагнетания активированной текучей среды. После размещения активированной текучей среды в формации перфоратор 56 выстреливает, практически одновременно активируя депрессионный инструмент 52 для создания локальных условий пониженного давления. Это высвобождает газ в активированной текучей среде 65 в скважине 10 и каналах 18 формации, который быстро увеличивается в объеме по мере падения давления, вызывая течение текучей среды и обломков из перфорационных каналов в скважину так, что достигается очистка перфорационных каналов. Во всех вариантах осуществления изобретения дополнительные операции, такие как гидравлический разрыв и/или гравийная набивка, могут быть затем выполнены, как это известно в данной области техники.
В другом варианте изобретения камера в перфораторе 56 может быть использована как емкость для скважинных текучих сред для получения условий с пониженным давлением. После подрыва заряда горячий газ взрыва заполняет внутреннюю камеру перфоратора 56. Если результирующее давление газов взрыва является меньшим, чем скважинное давление, то более холодные скважинные текучие среды всасываются в корпус перфоратора 56. Резкое ускорение через перфорационные отверстия в корпусе перфоратора 58 разбивает текучую среду на капли и вызывает резкое охлаждение газа. Таким образом, возникает быстрое падение давления в перфораторе и еще большее быстрое вытекание скважинной текучей среды, которое вызывает падение давления в скважине и, тем самым, в окружающей формации. Падение давления в скважине создает условия пониженного давления, вызывая выделение газа в активированной текучей среде и выброс текучей среды из перфорационных каналов 18.
Различные устройства могут быть использованы для создания выброса для получения динамических условий пониженного давления и для перфорирования формации. Устройства, которые могут быть использованы для реализации вариантов изобретения, включают в себя инструменты и системы, описанные в патентах США №№6,598,682, 6,732,798, 7,182,138, 6,550,538, 6,874,579, 6,554,081, 7,287,589, 7,284,612, 6,966,377, 7,121,340 и заявке на патент США №20050167108. Данные инструменты/системы могут быть использованы для замещения компонентов и/или в комбинации с компонентами раскрытых здесь аспектов.
Фиг.3 показывает другую систему 70 согласно изобретению, включающую другой вариант депрессионного инструмента 52, содержащего герметичный контейнер с атмосферным давлением (или контейнер, имеющий внутреннее давление меньше, чем ожидаемое давление в скважине в интервале формации), размещенный в скважине 10 (которая облицована обсадной колонной 12) и расположенный вплотную к перфорированной формации 60. Колонна инструментов опускается на несущей линии 54 (например, кабеле, тросе, насосно-компрессорной трубе и так далее). Депрессионный инструмент 52 включает в себя камеру, заполненную газом (например, воздухом, азотом) или некоторой другой подходящей текучей средой. Инструмент 52 имеет множество каналов 53, которые могут быть избирательно открыты.
Как показано на фиг.4, каналы 53 могут включать в себя отверстия, закупоренные с помощью изолирующих элементов 61. Заряд, например детонационный шнур 67, размещен вблизи каждого из каналов 53. Активирование детонационного шнура 67 вызывает разрушение или отделение изолирующих элементов 61 от соответствующих каналов 53. Дополнительное описание этой системы находится в патенте США №7,182,138, принадлежащем настоящему патентообладателю.
В варианте изобретения после формирования перфорационных каналов 18 в формации 60 и размещения активированной текучей среды 65 в формации 60 камера с атмосферным давлением в инструменте 52 мгновенно открывается в скважину. Внезапное падение давления внутри скважины 10 приводит к выделению газа из активированной текучей среды 65 и заставляет текучую среду и газ из перфорированных каналов 18 устремиться в пустое пространство, оставленное в скважине инструментом 52. Этот поток служит для удаления любого поврежденного материала, оставляя каналы 18 в формации чистыми. Активированная(ые) текучая(ие) среда(ы) могут быть размещены в формации с помощью любого удобного средства (такого, как аппликатор 62 на фиг.2) перед открытием камеры с атмосферным давлением инструмента 52. Этот вариант осуществления может быть использован с или без перфоратора. При использовании перфоратора активирование перфоратора может практически совпадать с открытием каналов 53. Такой вариант осуществления обеспечивает перфорирование при пониженном давлении.
Фиг.5 показывает другую систему 80 согласно изобретению. Этот вариант включает в себя другой депрессионный инструмент 52, содержащий контейнеры с атмосферным давлением в соединении с перфоратором 56. Инструмент 52 разделен на две части: первая часть расположена выше перфоратора 56, и вторая часть расположена ниже перфоратора. Контейнеры инструмента 52 включают в себя различные каналы 53, способные открываться с помощью силы взрыва, такой как сила взрыва во время подрыва детонационного шнура 67 или подрыва зарядов, подсоединенных к детонационному шнуру. Детонационный шнур 67 также подсоединен к кумулятивным зарядам 71 в перфораторе 56. В одном варианте, как показано, перфоратор 56 может быть ленточным перфоратором, в котором капсульные заряды 71 установлены на носителе 72. Дополнительное описание этих устройств приведено в патенте США №6,598,682.
Динамический выброс текучей среды при пониженном давлении может быть вызван относительно скоро после перфорирования. Например, выброс может быть активирован в пределах примерно 1 минуты после перфорирования. В других аспектах условия пониженного давления могут быть выполнены в пределах (менее чем или равно) примерно 10 секунд, 1 секунды или 100 миллисекунд, например, после перфорирования. Относительная задержка между перфорированием и динамическим понижением давления также применима к другим описанным здесь процессам.
Характеристики (включая задержку относительно перфорирования) динамического выброса при пониженном давлении могут основываться на характеристиках секции скважины (например, диаметре скважины, давлении формации, гидростатическом давлении, проницаемости формации и так далее), в которых создаются локальные условия низкого давления. Обычно различные типы скважин имеют различные характеристики. В дополнение к различным задержкам выброса при пониженном давлении относительно перфорирования могут управляться объем камер(ы) низкого давления депрессионного инструмента 52 и скорость течения текучей среды в камеры.
В соответствии с другим вариантом изобретения условия пониженного давления могут быть созданы с использованием дроссельной линии и линии заглушки, которые являются частью подводного скважинного оборудования в подводных скважинах. В данном варианте осуществления дроссельная линия, которая выходит из подводного скважинного оборудования на поверхность моря, может быть заполнена текучей средой с низкой плотностью, в то время как линия заглушки, которая также выходит на поверхность моря, может быть заполнена тяжелой скважинной текучей средой. Как только инструментальная колонна перфоратора опускается в скважину, противовыбросовый превентор, который является частью подводного скважинного оборудования, может быть закрыт с последовательным открытием дроссельной линии ниже противовыбросового превентора и закрытием линии заглушки ниже противовыбросового превентора. Открытие дроссельной линии и закрытие линии заглушки вызывает уменьшение гидростатического столба в скважине, создавая тем самым условия пониженного давления, вызывая выделение газа в активированной текучей среде и выброс текучей среды из перфорационных каналов, созданных в морском дне. Перфорирование может быть выполнено перед размещением активированной текучей среды или понижения давления, как здесь описано. Дополнительные инструменты и системы, которые могут быть использованы для осуществления подводных вариантов изобретения, описаны в патенте США №6,598,682, принадлежащем настоящему патентообладателю.
Фиг.6 показывает блок-схему способа для использования в подземной формации, пройденной скважиной, в соответствии с настоящим изобретением. В одном варианте способ 100 включает в себя размещение активированной текучей среды в формации с использованием любой техники или системы на стадии 105. На стадии 110 давление в области скважины уменьшается ниже давления в окружающей формации для выделения газа в активированной текучей среде вблизи созданных в формации каналов. Скважинное давление управляется с использованием любого способа, раскрытого в настоящем описании. Этот способ может быть осуществлен перед обсаживанием скважины или после обсаживания и перфорирования, как раскрыто выше.
Фиг.7 показывает блок-схему другого варианта способа для использования в подземной формации, пройденной скважиной, в соответствии с изобретением. В данном варианте способ 200 включает в себя использование активированной текучей среды в формации на стадии 205. Обсадная колонна может быть также размещена в скважине после размещения активированной текучей среды. Канал создается в формации в области скважины на стадии 210. Канал может быть создан с использованием любой технологии, как раскрыто в описании. При использовании обсадной колонны она может быть перфорирована с использованием способов, известных в данной области техники. На стадии 215 давление в области скважины уменьшается ниже давления в окружающей формации для выделения газа в активированной текучей среде вблизи каналов. Скважинное давление управляется с использованием любой технологии, как раскрыто в описании.
Фиг.8 показывает блок-схему еще одного варианта способа для использования в подземной формации, пройденной скважиной, в соответствии с изобретением. В данном варианте способ 300 включает в себя создание канала в формации в области скважины на стадии 305. Канал может быть создан с использованием любой техники, как здесь раскрыто. Если в скважине используется обсадная колонна, она может быть перфорирована с использованием любой технологии, известной в данной области техники, как раскрыто в описании. Активированная текучая среда размещается в формации вблизи канала на стадии 310. На стадии 315 давление в области скважины уменьшается ниже давления в окружающей формации для выделения газа в активированной текучей среде вблизи канала. Скважинное давление управляется с использованием любой технологии, как здесь раскрыто.
Несмотря на то, что в настоящем описании приведены конкретные варианты изобретения, многочисленные модификации и вариации станут понятны специалистам в данной области техники после изучения описания, включая в себя использование функциональных и/или структурных замен для описанных здесь элементов. Специалистам в данной области техники понятно, что изобретение может быть применено в принципе ко всем типам скважин (например, обсаженным скважинам, не обсаженным скважинам и так далее). Также понятно, что варианты изобретения могут быть реализованы с использованием обычных компонентов, инструментов и устройств (например, пакеров, насосно-компрессорных труб, металлических и/или композитных обсадных колонн/облицовки и так далее), известных в данной области техники и не показанных здесь для простоты раскрытия. Все подобные вариации, выявленные специалистами в данной области техники, считаются находящимися в объеме изобретения, как это определено приложенной формулой изобретения.