ПЕРФОРИРОВАНИЕ, ОПТИМИЗИРОВАННОЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ГРАДИЕНТОВ НАПРЯЖЕНИЯ ВОКРУГ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
PERFORATION OPTIMISED RELATIVE TO STRESS GRADIENTS AROUND WELL SHAFT

Настоящее изобретение относится, в общем, к перфорированию, которое оптимизировано относительно градиентов напряжения вокруг ствола скважины.
Для добычи скважинной текучей среды формация обычно перфорируется изнутри ствола скважины для улучшения сообщения между резервуаром и стволом скважины. При осуществлении перфорации перфоратор обычно опускается в скважину (например, на колонне) к области формации, которая будет перфорирована. Перфоратор обычно содержит перфорационные заряды (например, кумулятивные заряды), которые расположены по фазовой диаграмме направленности вокруг продольной оси перфоратора и ориентированы радиально относительно стенки ствола скважины. После того как перфоратор установлен соответствующим образом, перфорационные заряды выстреливаются для пробивания обсадной колонны скважины (если скважина является обсаженной) и образования в формации радиально распространяющихся перфорационных туннелей.
Формация находится под воздействием тектонических сил, которые создают в формации напряжение. Напряжение имеет многонаправленные компоненты, один из которых является максимальным горизонтальным напряжением. Достаточно часто перфорационные заряды располагаются, главным образом, по направлению максимального горизонтального напряжения для предотвращения добычи песка и/или для подготовки формации к последующим операциям разрыва.
Согласно изобретению создан способ, используемый в стволе скважины, при котором определяют тензор напряжения в формации, окружающей ствол скважины, изменяющийся относительно ствола скважины, запускают перфорационный заряд в ствол скважины для перфорирования формации и выполняют, по меньшей мере, одну из стадий, а именно: выбор перфорационного заряда и ориентации перфорационного заряда в стволе скважины на основании, по меньшей мере, частично, определения тензора напряжения.
Тензор напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины, и стадия ориентации перфорационного заряда содержит азимутальную ориентацию перфорационного заряда в стволе скважины на основании, по меньшей мере, частично, определения тензора напряжения.
Можно выбрать перфорационный заряд из множества перфорационных зарядов на основании перфорационной производительности среди множества перфорационных зарядов.
Тензор напряжения может включать вертикальный главный компонент напряжения, минимальный горизонтальный компонент напряжения и максимальный горизонтальный компонент напряжения.
Перфорационный заряд может являться одним из множества перфорационных зарядов, может осуществлять выбор перфорационного заряда из множества перфорационных зарядов и азимутальную ориентацию множества перфорационных зарядов на основании, по меньшей мере, частично, определения тензора напряжения.
При ориентации перфорационных зарядов можно осуществлять выбор фазовой диаграммы для перфоратора или выбор носителя для перфорационного заряда, или нацеливание перфорационного заряда на выбранную зону формации, для проникновения которой перфорационный заряд оптимизирован.
При определении тензора напряжения можно осуществить определение азимутального отклонения величины тензора напряжения относительно ствола скважины.
В другом варианте при осуществлении способа, используемого в стволе скважины, определяют тензор напряжения в формации, окружающей ствол скважины, на основании определения тензора напряжения моделируют повреждение формации около ствола скважины, при этом повреждение формации, предсказанное моделью, изменяется относительно ствола скважины, запускают перфорационный заряд в ствол скважины для перфорирования формации и ориентируют перфорационный заряд на основании, по меньшей мере, частично, модели.
Модель может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Повреждение формации может быть вызвано, по меньшей мере, частично, проникновением бурового раствора.
Проникновение бурового раствора может быть функцией от тензора напряжения.
Направление тензора напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Величина тензора напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Можно осуществлять выбор перфорационного заряда из множества перфорационных зарядов на основании перфорационной ориентации и параметра тензора напряжения для перфорационной ориентации.
Тензор напряжения может включать вертикальный главный компонент напряжения, минимальный горизонтальный компонент напряжения и максимальный горизонтальный компонент напряжения.
При ориентации перфорационного заряда можно осуществлять выбор фазовой диаграммы для перфоратора или выбор носителя для перфорационного заряда, или нацеливание перфорационного заряда на выбранную зону формации, для проникновения которой перфорационный заряд оптимизирован.
Согласно изобретению создана система, используемая в стволе скважины, содержащая перфоратор, приспособленный для опускания в скважину в стволе скважины для перфорирования формации, окружающей ствол скважины, и перфорационный заряд, расположенный в перфораторе и ориентированный относительно ствола скважины на основании определения зоны повреждения формации около ствола скважины, которая изменяется относительно ствола скважины, определение тензора напряжения основано, по меньшей мере, частично, на определении тензора напряжения формации, окружающей ствол скважины.
Поврежденная зона может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Поврежденная зона может содержать область формации, поврежденную, по меньшей мере, частично, проникновением бурового раствора.
Проникновение бурового раствора может быть функцией от тензора напряжения.
Направление тензора напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Величина тензора напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Тензор напряжения может включать вертикальный главный компонент напряжения, минимальный горизонтальный компонент напряжения и максимальный горизонтальный компонент напряжения.
Согласно другому варианту создана система, используемая в стволе скважины, содержащая перфоратор, приспособленный для опускания в скважину в стволе скважины для перфорирования формации, окружающей ствол скважины, и перфорационный заряд, расположенный в перфораторе и ориентированный относительно ствола скважины на основании, по меньшей мере, частично, тензора напряжения формации, окружающей ствол скважины, при этом тензор напряжения изменяется относительно ствола скважины.
Величина тензора напряжения может изменяться азимутально относительно ствола скважины.
Тензор напряжения может включать вертикальный главный компонент напряжения, минимальный горизонтальный компонент напряжения и максимальный горизонтальный компонент напряжения.
Преимущества и другие признаки изобретения станут видны из прилагаемых описания, чертежей и формулы изобретения.
Фиг.1 является иллюстрацией главных компонентов тензора напряжения.
Фиг.2 является поперечным сечением ствола скважины, иллюстрирующим концентрации напряжения в формации, окружающей ствол скважины.
Фиг.3 изображает действие разных перфорационных зарядов относительно параметра напряжения.
Фиг.4 является блок-схемой способа выбора и ориентации перфорационного заряда, основанных на тензоре напряжения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 изображает модель повреждения формации около ствола скважины в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Фиг.6 иллюстрирует модель повреждения формации около ствола скважины в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.7 является блок-схемой способа ориентации перфорационного заряда на основе модели повреждения формации, полученной из определения тензора напряжения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.8 является схематической диаграммой скважины в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.1 изображает бесконечно малый элемент 10 породы-коллектора или формации. Формация находится под воздействием тектонических сил, которые создают в формации градиенты напряжений. Напряжение элемента 10 может быть выражено через тензор напряжения, имеющий три независимых главных компонента напряжения, которые обычно различаются по величине: вертикальный, или компонент 12 напряжения перекрывающих пород (названный «σV» на фиг.1), минимальный горизонтальный компонент 14 напряжения (названный «σh» на фиг.1) и максимальный горизонтальный компонент 16 напряжения (названный «σH» на фиг.1).
Для добычи скважинной текучей среды из формации в формации бурится скважина. Пренебрегая концентрациями напряжения, которые вызывает сама скважина, среднее общее напряжение (которое будет определено позже) является идентичным во всех азимутальных направлениях вокруг скважины. Однако направление тензора напряжения различается в зависимости от азимута. В контексте этой заявки термины «азимут», «азимутальный» и им подобные означают конкретную угловую ориентацию относительно продольной оси ствола скважины.
Ствол скважины вызывает концентрации напряжения в формации около ствола скважины. Как более конкретный пример, фиг.2 является видом поперечного сечения примерного ствола 30 скважины, изображающим концентрации 20 напряжения вокруг ствола 30 скважины. Как изображено на фиг.2, вдоль оси, которая ориентирована относительно максимальных горизонтальных компонентов 34 напряжения, формация, окружая ствол скважины, демонстрирует ярко выраженные лепестки 36 напряжения, указывающие на уменьшение напряжения относительно значений дальней области. Аналогично, вдоль оси, которая ориентирована относительно минимальных горизонтальных компонентов 32 напряжений, формация демонстрирует ярко выраженные лепестки 33, указывающие на увеличение напряжения относительно значений дальней области. Между лепестками 33 и 36 напряжение достигает значения дальней области, как это показано концентрациями напряжений, приближающихся к единице. Таким образом, возле скважины величина общего напряжения изменяется азимутально.
В общем, глубина проникновения перфорационных зарядов зависит от прочности целевой породы и местного напряжения. Условно, глубина проникновения может быть измерена, как зависящая от эффективного напряжения формации. Эффективное напряжение получается из среднего общего напряжения, которое описано ниже:
Формула 1:
где "σV," "σН," и "σh" представляют собой главные компоненты напряжения перекрывающих пород, максимального горизонтального напряжения и минимального горизонтального напряжения, соответственно. Из среднего общего напряжения эффективное напряжение может быть получено следующим образом:
Формула 2:
где «alpha» является константой Био и обычно равна или чуть меньше единицы.
Условно, эффективное напряжение, скалярная величина рассчитывается и имеет непосредственное отношение к перфорационной глубине проникновения, как это описано в заявке на патент США №11/162185, озаглавленной «Перфорирование скважинной формации», поданной 31 августа 2005 автором Brendan М.Grove.
Однако было открыто, что производительность перфорационных зарядов может быть еще улучшена, если учитывать конкретный тензор напряжения, а не только среднее общее напряжение. Другими словами, было открыто, что производительность перфорационного заряда может быть улучшена, если учитывать тензор напряжения для области формации, которая перфорируется зарядом.
Для конкретного тензора напряжения один перфорационный заряд может превосходить другие перфорационные заряды. Например, фиг.3 изображает график 48 производительности перфорационного заряда для данного типа или категории тензора напряжения формации. Таким образом, график 48 может быть использован для случаев, в которых тензор напряжения для целевой области формации попадает в определенный диапазон направлений или величин. График 48 включает, в качестве примера, кривую 50 для конкретного перфорационного заряда, изображающую зависимость глубины проникновения заряда конкретного параметра напряжения. Точно так же, фиг.3 изображает кривую 60 для другого перфорационного заряда (т.е. перфорационного заряда другого типа), изображающую зависимость проникновения другого перфорационного заряда параметра напряжения.
Следует понимать, что имеется много различных типов перфорационных зарядов из-за различий в геометрии гильзы, различий в материале гильзы, различий во взрывном составе заряда, различий в геометрии оболочки снаряда, различий в материале оболочки снаряда, различий в конструкции головки оболочки, различий в материале головки оболочки и так далее.
Параметром напряжения на графике 48 на фиг.3 может быть один из различных параметров, зависящих от конкретного варианта осуществления изобретения. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения параметр напряжения может быть средним общим напряжением для конкретного тензора напряжения, и, таким образом, может быть средним от его вертикального, минимального горизонтального и максимального горизонтального главных компонентов. В качестве другого примера, в другом варианте осуществления изобретения параметр напряжения на фиг.3 может быть средним от только двух главных компонентов напряжения, и в качестве еще одного примера, в некоторых вариантах осуществления изобретения, параметр напряжения может быть одним из главных компонентов напряжения, таким как компонент максимального горизонтального напряжения (в качестве примера). Множество других изменений является возможным и находится в объеме прилагаемой формулы изобретения.
Независимо от техники, используемой для расчета параметра напряжения, различные типы перфорационных зарядов имеют различную проникающую способность относительно параметра напряжения. Таким образом, как показано на фиг.3 в качестве примера, для первого заданного параметра напряжения (обозначенного «SP1» на фиг.3) глубина 62 проникновения из кривой 60 является большей, чем соответствующая глубина проникновения из кривой 50. Следовательно, если целевая область формации показывает параметр напряжения SP1, то перфорационный заряд, который соответствует кривой 60, будет выбран, как перфорационный заряд, имеющий большую глубину проникновения.
Однако следует отметить, что тип перфорационного заряда, который соответствует кривой 50, может быть выбран в других приложениях. Таким образом, как изображено на фиг.3, если целевая область формации показывает другой примерный параметр напряжения (обозначенный «SP2» на фиг.3), то кривая 50 демонстрирует большую глубину 54 проникновения, чем соответствующая глубина 64, которая демонстрируется кривой 60. Таким образом, для этого частного применения выбран тип перфорационного заряда, который соответствует кривой 50.
Таким образом, выбор перфорационного заряда зависит от конкретного параметра напряжения для целевой области формации. Более того, азимутальные направления перфорационных зарядов перфоратора могут быть выбраны для нацеливания перфорационных зарядов на области формации, где глубина перфорации максимальна. Таким образом, эмпирические проверки могут сопровождаться построением графиков, таких как график 48, который изображен на фиг.3, для обнаружения, какой из тензоров напряжения требуется для оптимизации выполнения перфорирования.
Следовательно, знания о тензоре напряжения могут быть использованы для выбора таких параметров, как тип перфорационного заряда, ориентация перфорационного заряда, носитель, используемый для доставки перфорационных зарядов в скважину, и так далее.
Подводя итог, в общем, фиг.4 изображает способ 100 в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Способ 100 включает стадию 102 определения тензора напряжения в формации около ствола скважины. Тензор напряжения изменяется азимутально по направлению и величине относительно ствола скважины. Следует отметить, что тензор напряжения может также и/или альтернативно изменяться вдоль ствола скважины (т.е. изменяться вдоль продольной оси ствола скважины). Тензор напряжения может быть рассчитан или, по меньшей мере, оценен с использованием знаний о тектонических силах. Далее, на стадии 104 перфорационные заряды выбираются на основании напряжения. На стадии 106 осуществляется запуск выбранных перфорационных зарядов в скважину и ориентация зарядов в направлении перфорируемой области формации. На стадии 108 перфорационные заряды выстреливаются.
Знание тензора напряжения может быть полезным для целей, отличных от целей максимизации глубины проникновения. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, знание тензора напряжения может быть использовано для целей избегания поврежденных областей стенки возле ствола скважины. В этом отношении повреждения формации обычно случаются около ствола скважины из-за проникновения текучей среды, такого как проникновение бурового раствора. В общем, чем больше напряжение формации, тем меньше проникновение текучей среды, и, наоборот, чем меньше напряжение, тем больше проникновение текучей среды.
Фиг.5 изображает модель 160 повреждения формации около ствола 150 скважины в соответствии с предшествующим уровнем техники. Как показано, модель 160 условно воспринимается, как в общем единообразная, и, поэтому, в общем, является циркулярно-цилиндрической относительно ствола 150 скважины. Следовательно, условно, безотносительно азимутальной ориентации перфорационных зарядов, получаемые перфорационные туннели являются достигшими одинаковой глубины поврежденной формации.
Однако вышеописанное общее изображение повреждения формации не учитывает нарушение напряжения формации из-за существования ствола скважины. Как показано на фиг.6, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, тензор напряжения используется для разработки модели 170 повреждения формации, которая учитывает анизотропные отклонения напряжения вокруг ствола 150 скважины. Как изображено на фиг.6, из-за этого анизотропного отклонения напряжения модель 170 повреждения формации может быть эллиптически симметричной (в качестве примера) в некоторых вариантах осуществления изобретения. Таким образом, в зависимости от азимутального отклонения относительно ствола 150 скважины, повреждение формации может быть в некоторых направлениях тоньше, чем в других направлениях. Например, фиг.6 изображает перфорационный туннель 154а, который проходит через большее повреждение формации относительно перфорационного туннеля 154b, который проходит через относительно меньшее повреждение формации. Таким образом, для этого варианта перфорационный туннель 154а является, в общем, менее эффективным, чем перфорационный туннель 154b. Следует отметить, что повреждение формации может подобным образом изменяться в продольном направлении вдоль ствола скважины.
Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, тензор напряжения используется для разработки модели повреждения формации для целей оптимизации перфорирования. Более конкретно, - ссылаясь на фиг.7, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, способ 200, в общем, включает стадию 202 определения тензора напряжения в формации около ствола скважины. Затем, на стадии 204, модель повреждения формации около ствола скважины разрабатывается на основании, по меньшей мере, частично, тензора напряжения. На стадии 206 перфорационный заряд ориентируется на основании модели. Затем, будучи сориентированным и размещенным в перфорируемом сегменте скважины, перфорационный заряд может выстреливаться.
В еще одном варианте осуществления изобретения выбор типа перфорационного заряда может основываться на вышеописанной модели повреждения формации и азимутальном направлении перфорирования. Таким образом, подобно способам, описанным выше, графики производительности (графики, которые изображают глубину проникновения относительно параметров напряжения) могут быть использованы для выбора перфорационных зарядов для заданного приложения.
Фиг.8, в общем, изображает перфорационную систему в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, система используется в скважине 230, которая включает примерный вертикальный ствол 232 скважины. Колонна 240 перфорационной системы проходит в ствол 232 скважины для пробивания обсадной колонны 234 и окружающей формации ствола 232 скважины. Несмотря на то, что фиг.8 изображает ствол 232 скважины обсаженным, следует отметить, что перфорационная система может быть использована подобным образом в необсаженном стволе скважины в других вариантах осуществления изобретения. Более того, несмотря на то, что фиг.8 изображает вертикальный ствол 232 скважины, следует отметить, что перфорационная система может быть использована в наклонных или горизонтальных стволах скважин в других вариантах осуществления изобретения.
Колонна 240 включает перфоратор 250, который включает стреляющую головку 252 и перфорационные заряды 254 (например, кумулятивные заряды). Конкретная фазировка кумулятивных зарядов 254, так же как и тип перфорационный зарядов 254, выбираются на основании тензора напряжения перфорируемой зоны формации, как описывалось выше. Для ориентирования перфорационных зарядов 254 колонна 240 включает механизм 242 ориентации.
В зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения все перфорационные заряды 254 могут быть одинаковыми, группы перфорационных зарядов 254 могут быть одинаковых типов, или все перфорационные заряды 254 могут быть разных типов. Таким образом, большое количество изменений является возможным и попадают в объем прилагаемой формулы изобретения. Более того, в соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, выбор носителя для перфорационных зарядов 254 и фазовая диаграмма для перфорационных зарядов 254 зависит от определенного тензора напряжения в перфорируемой формации. Подобным образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения конкретная зона формации может быть выбрана в качестве цели, и, таким образом, ориентация перфорирования может быть нацелена на эту зону.
Несмотря на то что фиг.8 изображает перфоратор 250 опущенным в скважину на колонне, другие механизмы транспортировки могут быть использованы в других вариантах осуществления изобретения. В этом отношении, в зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения, перфоратор 250 может быть опущен в скважину на тросе, канате, гибкой трубе и так далее.
Стреляющая головка 252 может быть управляемой гидравлически или механически, в зависимости от конкретного варианта осуществления. Более того, различные технологии могут быть использованы для установления связи между стреляющей головкой 252 и поверхностью скважины. Таким образом, проводная связь (например, оптический или электрический кабель) может быть установлена между стреляющей головкой 252 и поверхностью скважины. В качестве альтернативы беспроводная линия связи (т.е. линия связи, которая использует импульсы давления, электромагнитная связь, акустическая связь и так далее) может быть использована для установления связи между стреляющей головкой 252 и поверхностью скважины. Другие изменения являются возможными и попадают в объем прилагаемой формулы изобретения.
В то время как настоящее изобретение было описано со ссылкой на ограниченное количество вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, имеющие преимущества этого раскрытия, примут во внимание многочисленные модификации и изменения, следующие из них. Подразумевается, что прилагаемая формула изобретения покрывает все такие модификации и изменения, как относящиеся к сущности и объему настоящего изобретения.