УПРАВЛЕНИЕ ПО НЕСКОЛЬКИМ АЗИМУТАМ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ТРЕЩИНАМИ, ВОЗНИКАЮЩИМИ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАЗРЫВАХ В РЫХЛЫХ ИЛИ СЛАБОСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ОСАДОЧНЫХ ПОРОДАХ
CONTROL BY SEVERAL AZIMUTHS BY VERTICAL CRACKS, APPEARING AT HYDRAULIC FRACTURING IN FRIABLE OR SLIGHTLY CEMENTED SEDIMENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В целом данное изобретение относится к усовершенствованию добычи из-под земли жидкостей на нефтяной основе путем введения жидкости для гидравлического разрыва с целью осуществления разрыва подземных пластов, а более конкретно - к способу и устройству для создания нескольких вертикальных трещин гидравлического разрыва, ориентированных по заданным отличающимся азимутам в одиночной буровой скважине в рыхлых и слабосцементированных осадочных породах, что приводит к повышению добычи из-под земли жидкостей на нефтяной основе.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидравлический разрыв пласта нефтяных эксплуатационных скважин повышает извлечение жидкостей из пластов с низкой проницаемостью благодаря высокой проницаемости образованной трещины, ее размеру и протяженности. Полученная одиночная трещина гидравлического разрыва, идущая от буровой скважины, приводит к повышенному отбору жидкостей из пласта. Однако добыча жидкостей на нефтяной основе, как правило, производится из области пласта, находящейся в непосредственной близости к трещине, и, следовательно, большое количество жидкостей на нефтяной основе, находящихся в пласте, остается не извлеченным. Создание нескольких трещин, проходящих по разным направлениям или азимутам" от одиночной буровой скважины, дополнительно повысит добычу из скважины и приведет к большему извлечению запасов нефти из пласта.
Обратимся к известному уровню техники. Гидравлический разрыв подземных пластов выполняется в течение уже более пятидесяти лет во многих странах мира с целью интенсификации добычи жидкостей на нефтяной основе из подземных пластов. Гидравлический разрыв грунта осуществляют либо через отверстия в обсаженной буровой скважине, либо на отдельном участке открытого бурового ствола. Горизонтальная или вертикальная ориентация трещины гидравлического разрыва управляется режимом сжимающего напряжения в земле и строением пласта. Из горной механики хорошо известно, что трещина возникает в плоскости, перпендикулярной направлению минимального напряжения (см. патент США №4271696 (Wood)). Как правило, на значительной глубине одно из горизонтальных напряжений является минимальным, что приводит к образованию вертикальной трещины в результате процесса гидравлического разрыва. Из уровня техники также хорошо известно, что азимут вертикальной трещины управляется ориентацией минимального горизонтально напряжения в связанных осадочных и хрупких горных породах.
На небольших глубинах горизонтальные напряжения могут быть меньше или больше вертикального горного давления. Если горизонтальные напряжения меньше, чем вертикальное горное давление, то возникают вертикальные трещины, тогда как если горизонтальные напряжения больше, чем вертикальное горное давление, то за счет процесса гидравлического разрыва пласта образуется горизонтальная трещина.
Хорошо известны методы инициирования предпочтительной горизонтальной ориентации трещины, идущей от буровой скважины. Эти методы включают создание щелевых отверстий струей газа или жидкости под давлением для образования горизонтальной щели в открытой буровой скважине. Такие методы широко используются в нефтяной отрасли и при исследованиях окружающей среды. Метод пробивки щелевых отверстий дает удовлетворительный результат при получении горизонтальной трещины при условии, что горизонтальные напряжения превышают вертикальное горное давление, или если земной пласт имеет достаточное горизонтальное расслоение или структуру, обеспечивающую продолжение развития трещины в горизонтальной плоскости. Уже описывались отверстия в горизонтальной плоскости, предназначенные для инициирования образования горизонтальной трещины, идущей от обсаженной буровой скважины, но такие отверстия не вызывают преимущественного образования горизонтальных трещин в пластах с низкими горизонтальными напряжениями (см. патент США №5002431 (Heyman)).
Описаны различные средства создания вертикальных щелевых отверстий в обсаженной буровой скважине. Из уровня техники известно использование цепных пил для пробивки щелевых отверстий в обсадных трубах (см. патенты США №1789993 (Switzer), №2178554 (Bowie и др.), №3225828 (Wisenbaker) и №4119151 (Smith)). Установка обсадной колонны с предварительно пробитыми щелевыми отверстиями или ослабленной обсадной колонны также уже описана в качестве альтернативного варианта пробивки отверстий в обсадных трубах, поскольку такие отверстия могут привести к уменьшенной гидравлической связи пласта с буровой скважиной из-за разрушения пустот пласта, окружающего отверстие (см. патент США №5103911 (Heijnen)). Эти известные способы не затрагивают ориентации по азимуту двух противоположных щелевых отверстий, предназначенных для преимущественного инициирования вертикальной трещины гидравлического разрыва с заданной ориентацией по азимуту. Как правило, в технике принято считать, что такими средствами нельзя управлять ориентацией трещины по азимуту. Такие способы были альтернативой перфорированию обсадной колонны для того, чтобы добиться лучшей связи между буровой скважиной и окружающим пластом.
В технике гидравлического разрыва на глубине глубинных пластов от подземных скважин хорошо известно, что сжимающие напряжения грунта в зоне закачивания жидкости в пласт, как правило, приводят к образованию вертикальной "двукрылой" структуры. Эта "крыльчатая" структура обычно распространяется в противоположные стороны от буровой скважины и обычно в плоскости, перпендикулярной минимальному горизонтальному сжимающему давлению в месте расположения скважины. Такой тип трещины хорошо известен в нефтяной промышленности как разлом, который возникает, когда из обсаженной или необсаженной буровой скважины в пласт закачивается разрывающая жидкость, находящаяся под давлением, обычно это смесь воды и геля с определенным расклинивающим наполнителем. Такие трещины проходят как радиально, так и вертикально до тех пор, пока трещина не встретится с зоной или слоем грунта, который находится под более высоким сжимающим напряжением или напряжением, достаточно большим для сдерживания дальнейшего распространения трещины без повышения давления, под которым закачивается жидкость.
Из уровня техники также хорошо известно, что азимут вертикальной трещины гидравлического разрыва управляется режимом напряжений с азимутом вызванной гидравлическим разрывом вертикальной трещины, перпендикулярным направлению минимального горизонтального напряжения. Попытки инициирования и распространения вертикальной трещины гидравлического разрыва в заданном азимутальном направлении не были успешными, и считается, что азимут вертикальной трещины гидравлического разрыва можно изменять только путем изменения режима напряжения грунта. Такое изменение режима локального напряжения грунта отмечено в нефтяных пластах, подвергаемых значительному давлению закачивания, и при откачивании жидкостей, что приводит к локальным изменениям азимута вертикальных трещин гидравлического разрыва.
Рассматривался способ управления азимутом вертикальной трещины гидравлического разрыва в пластах рыхлых или слабосцементированных грунтов и осадочных пород путем пробивки щелевых отверстий в буровой скважине или установки обсадной колонны с предварительно пробитыми щелевыми отверстиями или колонны, ослабленной в направлении заданного азимута. В этом способе показано, что вертикальная трещина гидравлического разрыва может распространяться по предварительно заданному азимуту в рыхлых или слабосцементированных осадочных породах (см. патенты США №6216783 (Hocking и др.) и №6443227 (Hocking и др.)). В этом способе показано, что вертикальная трещина гидравлического разрыва может распространяться по предварительно заданному азимуту в рыхлых или слабосцементированных осадочных породах. Эти способы в известном уровне техники не связаны с созданием нескольких вертикальных трещин гидравлического разрыва, ориентированных по различным азимутам от одиночной буровой скважины и предназначенных для повышения добычи жидкостей на нефтяной основе из пласта.
Следовательно, существует необходимость в способе и устройстве для управления различными азимутальными направлениями нескольких вертикальных трещин гидравлического разрыва в одиночной буровой скважине в пластах рыхлых или слабосцементированных осадочных пород. Кроме того, существует необходимость в разработке способа и устройства для гидравлической связи образованных вертикальных трещин гидравлического разрыва с буровой скважиной без необходимости в перфорировании обсадных труб.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к способу и устройству для раздвигания грунта от бурового ствола различными средствами с целью инициирования и управления азимутальной ориентацией нескольких вертикальных трещин гидравлического разрыва, проходящих по различным азимутам от одиночной буровой скважины в пластах рыхлых или слабосцементированных осадочных пород. Трещины образуются за счет раздвигания грунта преимущественно ортогонально к требуемому азимутальному направлению трещины. Это раздвигание грунта можно выполнить различными средствами: управляемым долотом, раздвигая грунт ортогонально к требуемому азимутальному направлению, разделяющими пакерами, которые увеличиваются в размерах и раздвигают грунт преимущественно ортогонально к требуемому азимутальному направлению, повышением давления в предварительно ослабленной обсадной колонне, в которой линии ослабления проходят в заданном азимутальном направлении, повышением давления в обсадной колонне с противолежащими щелевыми отверстиями, прорезанными вдоль требуемого азимутального направления, или повышением давления в "двукрылой" искусственной вертикальной трещине, образованной путем прорезания или пробивки щелевых отверстий в обсадной колонне, цементном растворе, и/или пласте в требуемом направлении.
После образования первой вертикальной трещины гидравлического разрыва инициируется образование и управление второй и последующими вертикальными трещинами гидравлического разрыва с помощью уплотняющей системы, которые плотно перекрывают первую и другие ранее полученные трещины и затем раздвигают грунт преимущественно ортогонально к следующему желательному направлению разрыва по азимуту. Последовательность инициирования образования нескольких трещин, ориентированных по азимутам, такова, что возникшее от ранее образованных трещин горизонтальное давление грунта является благоприятным для инициирования и управления очередной и последующими трещинами. Первая вертикальная трещина, проходящая по заданному азимуту, инициируется и образуется, приводя к увеличению горизонтального напряжения, ортогонального плоскости образовавшейся первой трещины. Инициирование и образование второй вертикальной трещины происходит ортогонально к первой трещине с получением выгоды от благоприятного режима горизонтального напряжения от повышенного горизонтального напряжения, созданного первой трещиной, и достижения последующего уравновешивания режима горизонтального напряжения после завершения образования второй трещины. После образования второй трещины горизонтальные напряжения грунта становятся более однородными и, таким образом, благоприятными для инициирования и образования третьей трещины с азимутом, отличным от ранее образованных трещин. Четвертая вертикальная трещина инициируется и образуется ортогонально к третьей трещине, поскольку такая ориентация подвергается действию поля благоприятного горизонтального напряжения, полученного от создания третьей трещины. Образование трещины, управляемой по четвертому азимуту, после завершения ее образования приводит к уравновешиванию горизонтальных напряжений.
Данное изобретение относится к способу формирования нескольких вертикальных трещин гидравлического разрыва от одиночной буровой скважины, предназначенному для повышения добычи жидкостей на нефтяной основе из пласта, окружающего буровую скважину. По существу любая система обсадных труб, используемая для инициирования образования трещин, будет иметь механизм, позволяющий обсадным трубам оставаться открытыми после образования каждой трещины для обеспечения гидравлической связи буровой скважины с трещинами гидравлического разрыва.
Разрывающая жидкость, используемая для инициирования образования трещин гидравлического разрыва, выполняет две задачи. Во-первых, разрывающая жидкость должна иметь такой состав, чтобы она инициировала образование и распространение трещины в подземном пласте. В этом отношении разрывающая жидкость обладает определенными свойствами. Разрывающая жидкость не должна просачиваться в пласт, должна давать чистый разрыв с минимальным количеством остаточных продуктов и должна иметь низкий коэффициент трения.
Во-вторых, после введения в трещину разрывающая жидкость образует вызванную гидравлическим разрывом трещину с высокой проницаемостью. Для этого разрывающая жидкость содержит расклинивающий наполнитель, который создает трещину с высокой проницаемостью. Такие расклинивающие наполнители обычно представляют собой чистый песок, предназначенный для систем больших сплошных трещин гидравлического разрыва или специально изготовленные частицы (как правило, керамические), которые разработаны также и для ограничения обратного потока расклинивающего наполнителя из трещины в буровую скважину.
Данное изобретение применимо только для пластов рыхлых или слабосцементированных осадочных пород с низкой силой сцепления по сравнению с вертикальным горным давлением, преобладающим на глубине трещины гидравлического разрыва. Низкая сила сцепления определяется в данном случае как усилие, превышающее 200 фунтов на квадратный дюйм (14 МПа) или 25% от общего вертикального горного давления. Примерами таких рыхлых или слабосцементированных осадочных пород являются меловые и диатомитовые пласты, которые имеют присущую им высокую пористость и, поэтому, большие запасы нефти в пласте, но низкую проницаемость, которая требует осуществления гидравлического разрыва для увеличения добычи жидкостей на нефтяной основе из таких пластов. При обычном гидравлическом разрыве такие пласты будут отдавать только малую долю запасов нефти в пласте, тогда как несколько управляемых по азимутам вертикальных трещин гидравлического разрыва в одиночной скважине обеспечивают возможность существенного увеличения добычи и извлекаемых из пласта запасов. Другим примером рыхлых или слабосцементированных осадочных пород являются нефтеносные или битуминозные пески, в которых жидкости на нефтяной основе, являющиеся тяжелой нефтью или битумом, имеют высокую вязкость и требуют закачивания в пласт пара или циркуляции пара в буровой скважине для достижения оптимального выхода жидкостей из пласта. Несколько наполненных леском трещин, идущих от одиночной буровой скважины по нескольким азимутам, существенно увеличивают зону влияния закачивания пара или циркуляции пара и в результате дают большую величину нефтеотдачи и приводят к большей добыче из пласта жидкости на нефтяной основе. Способ не подходит для затвердевших хрупких пластов горной породы, в которых азимут трещины управляется режимом давления в пласте горной породы.
Хотя в данном изобретении рассматривается образование трещин, которые, как правило, распространяются в сторону от вертикальной или почти вертикальной скважины в пласте земли и, как правило, в вертикальной плоскости в противоположных направлениях от скважины, то есть вертикальных трещин с двумя крыльями, специалистам в данной области техники ясно, что изобретение можно осуществить и в пластах земли, в которых трещины и буровые скважины могут проходит в направлениях, отличных от вертикального.
Поэтому в данном изобретении предлагаются способ и устройство для управления по азимуту несколькими вызванными гидравлическим разрывом вертикальными трещинами, образованными в одиночной буровой скважине в пластах рыхлых или слабосцементированных осадочных пород.
Другие цели, признаки и преимущества данного изобретения станут очевидными при рассмотрении приведенного ниже описания предпочтительных вариантов выполнения совместно с чертежами и формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, до инициирования образования нескольких управляемых по азимутам вертикальных трещин.
Фиг.2 представляет собой вертикальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, до инициирования образования нескольких управляемых по азимутам вертикальных трещин.
Фиг.3 представляет собой увеличенный горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, до инициирования образования нескольких управляемых по азимутам вертикальных трещин.
Фиг.4 представляет собой вертикальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, до инициирования образования нескольких управляемых по азимутам вертикальных трещин.
Фиг.5 представляет собой горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, после инициирования образования вертикальной трещины, управляемой по первому азимуту.
Фиг.6 представляет собой горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования двойных трещин, после инициирования образования вертикальной трещины, управляемой по второму азимуту.
Фиг.7 представляет собой вертикальный разрез двух нагнетательных обсадных колонн скважины, в каждой из которых имеются ребристые секции инициирования образования двойных трещин и которые размещены на двух разных глубинах, до образования нескольких вертикальных трещин, управляемых по азимутам.
Фиг.8 представляет собой увеличенный горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования четырех трещин, до инициирования образования нескольких вертикальных трещин, управляемых по азимутам.
Фиг.9 представляет собой вертикальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования четырех трещин, до инициирования образования нескольких вертикальных трещин, управляемых по азимутам.
Фиг.10 представляет собой горизонтальный разрез обсадной колонны скважины, имеющей ребристые секции инициирования образования четырех трещин, после инициирования образования вертикальной трещины, управляемой по четвертому азимуту.
ОПИСАНИЕ ЛУЧШЕГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание нескольких вариантов осуществления данного изобретения, которые проиллюстрированы прилагаемыми чертежами. Данное изобретение включает в себя способ и устройство для инициирования образования и распространения нескольких управляемых по азимутам вертикальных трещин гидравлического разрыва от одиночной буровой скважины в подземных пластах рыхлых и слабосцементированных осадочных пород, например, от скважины для добычи нефти. Кроме того, данное изобретение включает способ и устройство для обеспечения высокой степени гидравлической связи между образованными трещинами гидравлического разрыва и буровой скважиной с целью увеличения добычи жидкости на нефтяной основе из пласта, а также для обеспечения повторного разлома отдельных трещин в целях получения внутри пласта трещин большей глубины и проницаемости.
Обратимся к чертежам, на которых одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы. Фиг.1, 2 и 3 представляют исходную компоновку способа и устройства для формирования вертикальных трещин, управляемых по двум азимутам. Обычная буровая скважина 5 выполнена методами роторного бурения с промывкой или канатного бурения в пласте 8 рыхлых или слабосцементированных осадочных пород на заданную глубину 7 ниже поверхности земли 6. Нагнетательная обсадная колонна 1 установлена на заданную глубину 7, и после установки введен цементный раствор 4, который полностью заполняет кольцевое пространство между наружной поверхностью нагнетательной обсадной колонны 1 и буровой скважиной 5. Нагнетательная обсадная колонна 1 содержит четыре ребристых инициирующих секции 11, 21, 31 и 41 (фиг.3), которые, как показано на фиг.5 и 6, предназначены для создания двух гидравлических разрывов 71 и 72, образующих, в свою очередь, первую трещину, ориентированную вдоль плоскости 2, 2', и двух гидравлических разрывов 81 и 82, образующих, в свою очередь, вторую трещину, ориентированную вдоль плоскости 3, 3'. Нагнетательная обсадная колонна 1 должна быть выполнена из материала, который может выдержать давления, которые оказывает на ее внутреннюю поверхность при закачивании разрывающая жидкость. Цементный раствор 4 может представлять собой обычный материал, который защищает пространство между наружной поверхностью колонны 1 и скважиной 5 в течение всего процесса образования трещины, предпочтительней, если это цементный раствор на основе безусадочного цемента или из цемента с низкой степенью усадки.
Наружная поверхность колонны 1 должна быть шероховатой или изготовленной таким образом, чтобы цементный раствор 4 сцеплялся с колонной 1 с минимальным усилием, равным давлению на нижнюю часть скважины и необходимым для инициирования образования управляемой по азимуту вертикальной трещины. Сила сцепления жидкого цементного раствора 4 с наружной поверхностью колонны 1 препятствует просачиванию находящейся под давлением разрывающей жидкости по поверхности раздела между нагнетательной обсадной колонной и цементным раствором вверх к поверхности земли 6.
Обратимся к фиг.1, 2 и 3. Нагнетательная обсадная колонна 1 содержит ребристые секции 11, 21, 31 и 41 инициирования образования двойных трещин, установленные на заданную глубину 7 внутри буровой скважины 5. Секции 11, 21, 31 и 32 могут быть изготовлены из того же материала, что и нагнетательная обсадная колонна 1. Ребристые инициирующие секции 11, 21, 31 и 41 установлены параллельно и проходят через плоскости 2, 2' и 3, 3' образования трещины. Плоскости 2, 2' и 3, 3' образования трещины совпадают, соответственно, с вертикальной трещиной гидравлического разрыва, образованной гидравлическими разрывами 71 и 72 и управляемой по первому азимуту (фиг.5), и с вертикальной трещиной гидравлического разрыва, образованной гидравлическими разрывами 81 и 82 и управляемой по второму азимуту (фиг.6). Положение ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 под земной поверхностью зависит от требуемой геометрии на месте возникших трещин гидравлического разрыва проходящих по нескольким азимутам, и от свойств нефтеносного пласта и извлекаемых запасов.
Ребристые инициирующие секции 11, 21, 31 и 41 обсадной колонны 1, предназначенные для инициирования образования трещин, в предпочтительном случае состоят из четырех симметричных частей, показанных на фиг.3. Конфигурация ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 не ограничена показанной формой, но выбранная конфигурация должна обеспечивать распространение трещины в стороны в по меньшей мере двух противоположных направлениях вдоль плоскостей трещин 2, 2' и 3, 3'. Как видно из фиг.3, до образования трещины четыре симметричные части ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 соединены вместе поперечными зажимами 13, 23, 33 и 43, а уплотнение между ними осуществлено прокладками 12, 22, 32 и 42. Прокладки 12, 22, 32 и 42 и зажимы 13, 23, 33 и 43 выполнены так, что предотвращают просачивание жидкого цементного раствора 4 внутрь ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 во время его заливки. Прокладки 12, 22, 32 и 42 находятся в плоскостях 2, 2' и 3, 3' образования трещин и определяют линии ослабления между ребристыми инициирующими секциями 11, 21, 31 и 41. В частности, ребристые инициирующие секции 11, 21, 31 и 41 выполнены так, что разделены по линиям ослабления, которые совпадают с плоскостями 2, 2' и 3, 3' образования трещин. Как показано на фиг.5 и 6, во время инициирования образования трещин ребристые инициирующие секции 11, 21, 31 и 41 разделяются по линиям ослабления без физического разрушения этих секций. Для соединения четырех симметричных частей ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 можно использовать любые средства, включая, скобы, клей или ослабленные зажимы, но не ограничиваясь этим перечнем, до тех пор, пока давление, оказываемое крепежными средствами, удерживающее вместе четыре симметричные части ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41, превышает давление жидкого цементного раствора 4 на внешнюю поверхность этих секций. Другими словами, зажимов 13, 23, 33 и 43 должно быть достаточно для предотвращения просачивания жидкого цементного раствора 4 внутрь ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41. Во время образования трещины зажимы 13, 23, 33 и 43 открываются при определенной приложенной нагрузке и постепенно раскрываются дальше во время распространения трещины и не закрываются после завершения ее образования. Зажимы 13, 23, 33 и 43 могут состоять из различных приспособлений, при условии, что они имеют определенное давление открытия, постепенно раскрываются во время образования трещины и остаются открытыми даже под давлением, вызванным оседанием земли после образования трещины. Кроме того, зажимы 13, 23, 33 и 43 ограничивают максимальное раскрытие четырех симметричных частей ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41. В частности, каждый из зажимов 13, 23, 33 и 43 содержит подпружиненный клин 18, который позволяет соединителю постепенно раскрываться во время образования трещины и оставаться открытым под действием сжимающих напряжений при оседании земли после образования трещины, раскрываясь на величину, которую допускает заданная длина болта 19.
Как видно из фиг.3, секции 14, 24, 34 и 44 скважинного фильтра располагаются в соединительных секциях 15, 15', 25, 25', 35, 35' и 45, 45' поперечных захватов соседних ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41. Секции 14, 24, 34 и 44 скважинного фильтра состоят из обычного материала для скважинных фильтров, который ограничивает проход частиц земли из пласта в буровую скважину. Секции 14, 24, 34 и 44 скважинного фильтра надежно удерживаются поперечными захватами 15, 15', 25, 25', 35, 35' и 45, 45', создавая предельное напряжение до того момента, когда во время образования и распространения трещины происходит либо проскальзывание, либо деформация секций фильтра внутрь захватов 15, 15', 25, 25', 35, 35' и 45, 45', как показано на фиг.5 и 6 для первой и второй трещин, соответственно. Как видно из фиг.3 и 4, каналы 17, 27, 37, и 47 через верхнюю часть 9 нагнетательной обсадной колонны 1 соединены с отверстиями 51, 52, 53 и 54 во внутреннем канале 10 обсадной колонны, который является продолжением канала 16 буровой скважины на инициирующей секции нагнетательной обсадной колонны.
Как видно из фиг.3, 4, 5 и 6, до инициирования образования трещины внутренний канал 10 и 16 обсадной колонны ниже самых нижних отверстий 51 и 52 наполнен песком 18. Во внутренний канал 10 верхнего участка 9 нагнетательной обсадной колонны буровой скважины опущен одинарный разделяющий пакер 60, который, как показано на фиг.4, расширяется внутри этого участка непосредственно над самыми нижними отверстиями 51 и 52. Разрывающая жидкость 20 закачивается в нагнетательную трубу 50 из насосной системы, проходит через одинарный разделяющий пакер 60 в отверстия 51 и 52 и опускается в каналы 17 и 37 для инициирования образования первой трещины вдоль азимутальной плоскости 2, 2'. Как видно из 5, поскольку давление разрывающей жидкости 20 увеличивается до уровня, превышающего боковые давления земли, две симметричные половины 61 и 62 ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 во время образования трещины начинают разъединяться по плоскости образования трещины 2, 2' этих секций без их физического разрушения. По мере разъединения двух симметричных половин 61 и 62 разрываются прокладки 12 и 32, открываются зажимы 13 и 33, и секции фильтра 14 и 34 смещаются в поперечных захватах 15, 15' и 35, 35', обеспечивая, как показано на фиг.5, разъединение двух симметричных половин 61 и 62 вдоль плоскости трещины.2, 2' без их физического разрушения. Во время разъединения двух симметричных половин 61 и 62 ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 цементный раствор 4, который связан с нагнетательной обсадной колонной 1 (фиг.5) и двумя симметричными половинами 61 и 62 ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41, начинает раздвигать прилегающие осадочные породы 70, образуя разрывы 71 и 72 грунта 70 вдоль плоскости 2, 2' образования первой запланированной вертикальной трещины, управляемой по азимуту. Разрывающая жидкость 20 быстро заполняет разрыв 71 и 72 в грунте 70, создавая первую трещину. Внутри двух симметричных половин 61 и 62 ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 разрывающая жидкость 20 создает ортогональные силы 73, действующую на грунт 70 ортогонально плоскости трещины 2, 2' и противоположно горизонтальным напряжениям 74 в грунте 70. Таким образом, разрывающая жидкость 20 постепенно раздвигает разрыв 71 и 72 и продолжает поддерживать требуемый азимут появившейся первой трещины вдоль плоскости 2, 2'. Первая вертикальная трещина, управляемая по азимуту, раздвигается за счет непрерывного закачивания разрывающей жидкости 20 до тех пор, пока не будет достигнута требуемая геометрия этой трещины.
Как видно из фиг.3, 4, 5 и 6, после завершения образования первой трещины одинарный разделяющий пакер 60 поднимается в буровой скважине 10 с нагнетательной обсадной колонной выше следующих отверстий 53 и 54, которые соединены с каналами 27 и 47, соответственно. Разрывающая жидкость 20 в системе первой трещины быстро разрушается за счет введения фермента или кислоты, вызывающих осаждение в ней песчаного расклинивающего наполнителя и, таким образом, вызывает осаждение песка в каналах 17 и 37, и/или в каналы 17 и 37 и буровую скважину 10 вводится дополнительный песок вплоть до отверстий 53 и 54, поэтому разрывающая жидкость 80, используемая для закачивания во вторую трещину, не вызывает дальнейшего распространения первой трещины вследствие высокого напряжения из-за закупоривания, созданного песком в каналах 17 и 37, и, таким образом, разрывающая жидкость 80 будет проходить предпочтительней через отверстия 53 и 54 и каналы 27 и 47, образуя вторую трещину в азимутальной плоскости 3, 3'. По мере увеличения давления разрывающей жидкости 80 под одинарным разделяющим пакером 60 вдоль азимутальной плоскости 3, 3' образуется вторая вертикальная трещина, направленная по заданному азимуту, которая распространяется так, как описано ранее для первой трещины, образованной в другой азимутальной плоскости 2, 2'.
После завершения образования второй трещины и разрушения разрывающей жидкости 80 песок, находящийся в каналах 10 и 16 нагнетательной обсадной колонны буровой скважины, вымывается, и нагнетательная обсадная колонна работает как эксплуатационная буровая скважина, предназначенная для извлечения жидкостей из пласта, находящегося на глубинах и в пределах недавно образованных трещин гидравлического разрыва. Секции 14, 24, 34 и 44 скважинного фильтра охватывают отверстие обсадной трубы, образованное первой и второй трещинами, и работают как обычный скважинный фильтр, препятствуя протеканию расклинивающего наполнителя обратно в каналы 16 и 10 эксплуатационной буровой скважины. Зажимы 13, 23, 33 и 43 остаются открытыми, обеспечивая высокую степень гидравлической связи между каналом 16 буровой скважины и трещинами, а следовательно, и пластом. Если необходимо, то до вымывания песка из каналов 10 и 16 эксплуатационной буровой скважины, предназначенных для извлечения жидкости из пласта, можно осуществить повторный разлом уже образованных трещин путем вымывания песка сначала в каналах 17 и 37 через отверстия 51 и 52 и, соответственно, повторный разлом первой образованной трещины. Повторное разламывание трещин может создать в пласте проницаемые трещины, имеющие большие толщину и проницаемость. Подобным же образом можно осуществить повторный разлом второй трещины путем вымывания песка из каналов 27 и 47 через отверстия 53 и 54 аналогично тому, как это описано выше для повторного разламывания первой трещины.
Как видно из фиг.4, 5 и 6, после образования трещины закачивание разрывающей жидкости 20 и 80 через канал 10 буровой скважины в нагнетательной обсадной колонне 1 во внутренние каналы 17, 27, 37 и 47 ребристых инициирующих секций 11, 21, 31 и 41 и в образованные трещины можно выполнить любыми обычными средствами для закачивания разрывающей жидкости 20 и 80. Обычные средства могут включать любое насосное оборудование, предназначенное для подачи этой жидкости и расклинивающего наполнителя в образованные трещины, что способствует распространению трещины и созданию в подземных пластах нескольких вертикальных водоносных трещин, наполненных расклинивающим наполнителем и направленных по азимутам. Для успешного инициирования образования и распространения трещины до требуемых размеров разрывающая жидкость 20 и 80 должна иметь следующие характеристики.
Разрывающая жидкость 20 и 80 не должна чрезмерно просачиваться в соседние рыхлые грунты и осадочные породы или терять свою жидкую фракцию. Разрывающая жидкость 20 и 80 должна транспортировать свою твердую фракцию (расклинивающий наполнитель) при низких скоростях потока, имеющих место по краям развивающейся вертикальной трещины, управляемой по азимуту. Разрывающая жидкость 20 должна иметь такие функциональные свойства, необходимые для ее конечного назначения, как долговечность, концентрация, пористость, проницаемость и т.д.
Разрывающая жидкость 20 и 80 должна быть совместимой с расклинивающим наполнителем, подземным пластом и с жидкостями в пласте. Более того, разрывающая жидкость 20 и 80 должна допускать возможность регулирования ее вязкости для переноса расклинивающего наполнителя на всем протяжении образованной в пласте трещины. Разрывающая жидкость 20 и 80 должна быть эффективной, то есть слабо просачиваться из трещины в пласт, полностью разрушаться с минимальным остатком и иметь низкий коэффициент трения. Разрывающая жидкость 20 и 80 не должна чрезмерно просачиваться в соседний рыхлый или слабосцементированный пласт или терять свою жидкую фракцию. Для проницаемых трещин необходим гель на основе крахмала, который при разрушении должен оставлять минимальный осадок и не передавать свойства расклинивающего наполнителя. Для уменьшения потерь напора насоса при подаче по трубам и в нижнюю часть буровой скважины необходима жидкость с низким коэффициентом трения. Если необходима проницаемая трещина, то, как правило, вместе с расклинивающим наполнителем и разрывающей жидкостью используют гель. Предпочтительные гели могут содержать гель гуаровой смолы на водной основе, гидроксипропилгуар (HPG), натуральный полимер или гель на целлюлозной основе, например, карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозе (СМНЕС).
Как правило, для получения достаточно высокой вязкости для переноса расклинивающего наполнителя к границам трещины, гель является гелем с поперечными связями. Обычно поперечные связи создают ионы металлов, такие как борат, сурьма, цирконий и т.д., которые распределены между полимерами и создают сильное притяжение между ионом металла и гидроксильной или карбоксильной группами. При отсутствии поперечных связей гель является веществом, растворимым в воде, а при наличии поперечных связей - нерастворимым в воде. При наличии поперечных связей гель может быть чрезвычайно вязким, что обеспечивает постоянное нахождение расклинивающего наполнителя во взвешенном состоянии. Для регулируемого разрушения вязкого геля с поперечными связями в воду и сахарозу добавляют разрушающий фермент. Как правило, на биологическое разрушение геля ферментом уходит несколько часов, и при разрыве поперечной связи и разрушении геля проницаемая трещина, наполненная расклинивающим наполнителем, остается в пласте с минимальным остатком геля. Для некоторых расклинивающих наполнителей в гель могут быть добавлены буферы рН для гарантии того, что значение рН геля находится в пределах требуемой области активности фермента.
Смесь разрывающей жидкости, геля и расклинивающего наполнителя закачивается в пласт и переносит расклинивающий наполнитель в пределах трещины. При распространении трещины в требуемых пределах в поперечном и вертикальном направлениях может возникнуть необходимость в увеличении требуемой толщины трещины за счет использования процесса закупоривания вершины или повторного разлома уже созданной трещины. Процесс закупоривания вершины включает изменение заполнения расклинивающим наполнителем и/или изменения свойств разрывающей жидкости 20 и 80 для того, чтобы получить пробку расклинивающего наполнителя в вершине трещины. Разрывающая жидкость 20 и 80 дополнительно закачивается после процесса закупоривания вершины, но предпочтительнее, чтобы происходило не распространение трещины вбок или вертикально, а чтобы введенная жидкость раздвигала, то есть делала трещину более толстой. Повторное разламывание уже образованных трещин может создать в пласте трещины с большими глубиной и проницаемостью, а также обеспечить выгодную возможность введения пара, углекислого газа, химических реактивов и т.д. для обеспечения повышенной добычи из пласта жидкостей на нефтяной основе.
3
Плотность разрывающей жидкости 20 и 80 можно изменять, увеличивая или уменьшая заполнение расклинивающим наполнителем или изменяя плотность материала расклинивающего наполнителя. Часто плотность разрывающей жидкости 20 и 80 регулируют для того, чтобы дать трещине возможность первоначально распространяться вниз и достигнуть высоты запланированной трещины. Такое распространение трещины вниз зависит от изменения по глубине градиента напряжения горизонтального пласта в месте проведения работ и требует, чтобы плотность геля в типичном случае превышала 1,25 г/см.
Вязкость разрывающей жидкости 20 и 80 должна быть достаточно высокой для того, чтобы расклинивающий наполнитель оставался во взвешенном состоянии во время закачивания в недра, в противном случае плотные компоненты расклинивающего наполнителя будут оседать или осаждаться, а легкие компоненты расклинивающего наполнителя будут всплывать или подниматься в разрывающей жидкости 20 и 80. Требуемая вязкость разрывающей жидкости 20 и 80 зависит от различия плотностей расклинивающего наполнителя и геля и от максимального диаметра частиц расклинивающего наполнителя. Для частиц среднего размера, то есть размера частиц песка средней крупности, вязкость разрывающей жидкости 20 и 80 должна, как правило, превышать 100 сантипуаз при скорости сдвига 1/сек.
Обратимся к фиг.7. В буровой скважине 95 на разные отличающиеся глубины 93 и 94 установлены две нагнетательные обсадные колонны 91 и 92 и залиты в пласте цементным раствором, заполняющим кольцевое пространство между нагнетательными обсадными колоннами 91 и 92 и буровой скважиной 95. Та нагнетательная обсадная колонна 91, которая расположена ниже, разрывается первой путем заполнения песком канала 110 буровой скважины до отверстий 101 и 102. Разделяющий пакер 100 опускается в канал 110 буровой скважины до отверстий 101 и 102 и расширяется в канале 110 буровой скважины. Разрывающая жидкость 120 накачивается в колонну труб 105 разделяющего пакера и проходит через разделяющий пакер 100 в отверстия 101 и 102, инициируя образование первой вертикальной трещины гидравлического разрыва по первому требуемому азимуту так, как это описано выше. После завершения образования первой трещины в первой нагнетательной обсадной колонне 91 разделяющий пакер 100 поднимается непосредственно над отверстиями 103 и 104, и в нагнетательной обсадной колонне 91 инициируется образование второй трещины так, как это описано выше. После завершения образования трещин в первой нагнетательной обсадной колонне 91 процесс повторяют путем поднятия разделяющего пакера 100 непосредственно над отверстиями 111 и 112 для инициирования образования первой трещины во второй нагнетательной обсадной колонне 92, и весь процесс повторяется с целью создания всех трещин в нагнетательных обсадных колоннах, установленных в буровой скважине 95.
На фиг.8, 9 и 10 представлен другой вариант выполнения данного изобретения, состоящий из нагнетательной обсадной колонны 96, введенной в буровую скважину 97 и залитой в месте расположения цементным раствором 98. Нагнетательная обсадная колонна 96 состоит из восьми симметричных инициирующих секции 121, 131, 141, 151, 161, 171, 181, и 191, предназначенных для создания четырех трещин гидравлического разрыва, направленных по разным азимутальным плоскостям 122, 122', 123, 123', 124, 124', и 125, 125'. Первые каналы 126 и 166 для инициирования образования трещин соединяются с отверстиями 127 и 167; а первая трещина образуется и распространяется вдоль азимутальной плоскости 122, 122' так, как описано выше. Вторые каналы 146 и 186 для образования трещин соединяются с отверстиями 147 и 187, и вторая трещина образуется и распространяется вдоль азимутальной плоскости 123, 123' так, как описано выше. Третьи каналы 136 и 176 для образования трещин соединяются с отверстиями 137 и 177, и третья трещина образуется и распространяется вдоль азимутальной плоскости 124, 124' так, как описано для ранее созданных трещин. Четвертые каналы 156 и 196 для образования трещин соединяются с отверстиями 157 и 197, и четвертая трещина образуется и распространяется вдоль азимутальной плоскости 125, 125' так, как описано для ранее созданных трещин. В результате процесса образуются четыре трещины гидравлического разрыва, которые, как показано на фиг.10, проходят от одиночной буровой скважины по разным азимутам.
В заключение отметим, что предпочтительный вариант выполнения описан в качестве примера, и специалисты в данной области техники могут найти другие модификации, не выходящие за пределы сущности и объема правовой охраны формулы изобретения.