使用超声的深度酸化增强方法以及酸化工具 |
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| 申请号 | CN201280060215.1 | 申请日 | 2012-12-07 | 公开(公告)号 | CN104081000A | 公开(公告)日 | 2014-10-01 |
| 申请人 | 沙特阿拉伯石油公司; | 发明人 | 穆罕默德·纳比尔·努依-梅希蒂; 默罕默德·H·阿尔克哈奥帝; | ||||
| 摘要 | 一种利用 酸化 工具使 地层 中待处理区深度酸化增强的方法，本方法包括以下步骤：引入酸化工具进入井筒，引入酸配料至处理区处的井筒壁，以及，引入超声 能量 进入处理区处的地层。后续酸渗透深度比初始酸渗透深度更深。一种使地层一部分应 力 压裂的方法，包括以下步骤：引入酸化工具进入井筒、并在关注处理点处引入酸配料和超声能量。薄弱酸化点和作用于地层的 应力 共同作用，从而形成与井筒 流体 连接的定向应力诱发压裂。酸化工具包括酸输送系统和 超 声波 发射器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用酸化工具使地层中待处理区深度酸化增强的方法，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 使用超声的深度酸化增强方法以及酸化工具[0001] 发明人：穆罕默德·纳比尔·努依-梅希蒂 [0002] 默罕默德·H·阿尔克哈奥帝 技术领域背景技术[0004] 为了提高地层渗透率，通常做法是对地层进行酸化处理。例如，在石油工业中，为了提高周围含碳氢化合物层的渗透率，可以将酸化液注入井中，从而有助于含碳氢化合物的液体从地层流入井中。这种酸化技术可以实现为“基质酸化”过程或者“酸压裂”过程。 [0006] 在基质酸化过程中，以低于地层压裂压力的压力，酸化液从井中通过而进入地层。在这种情况下，渗透率增大主要是由酸在地层内的化学反应导致的，而由于如压裂过程中那样在地层内产生机械破碎的情况则很少或不会导致渗透率的增大。 [0007] 大多数情况下，在钙质地层诸如白云石、石灰石、白云石质砂岩等中执行酸化处理。然而，在酸化处理这些类型地层的过程中存在共同的困难，原因是酸化液与其首先接触的地层部分的反应速度快。在基质酸化处理过程中这是特别严重的。强制酸化液从井中进入地层时，酸与紧邻井的含钙材料迅速反应。因此，酸在其能渗透进入地层相当距离之前已消耗掉。例如，在石灰石地层的基质酸化过程中，常见的是，用能起作用的酸(live acid)实现的最大渗透达到的深度距井筒面仅仅几英寸至一英尺。当然，这严重限制了井的生产力或注入能力(injectivity)的提高。 [0008] 已经尝试了多种方法来降低酸与岩层的反应速度。例如，其他人已经尝试过向酸配料添加反应抑制剂。另外，为了减慢反应速度，另一些工作已经开始着手关注降低局部温度的途径。然而，所有这些方式的解决方案，都因增加了基质酸化处理操作的成本和复杂性而带来严重不足。所以，有利的是具有一种方法以及一种装置，为当前已知的那些方法以及装置提供改进的深度酸化增强。 发明内容[0009] 本发明的方法以及装置设置用于基质酸化处理，为了在地层中实现更深的增强区。本方法使用超声能量来推动增强酸更深地进入地层。 [0010] 一种用于执行地层中待处理区深度酸化增强的方法，其使用一种酸化工具。本方法包括引入酸化工具进入井筒的步骤。井筒可操作以允许接近地层。井筒还由井筒壁限定。酸化工具可操作以引入酸配料至井筒壁。酸化工具还可操作以引入超声能量进入地层。本方法包括引入酸配料至处理区处井筒壁的步骤。酸配料包括酸。酸配料的引入使得酸扩散进入处理区处的地层，达到初始酸渗透深度。本方法包括引入超声能量进入处理区处地层的步骤。酸扩散进入处理区处的地层，达到后续酸渗透深度。后续酸渗透深度比初始酸渗透深度更深入地层中。 [0011] 一种使地层一部分应力压裂的方法，包括引入酸化工具进入井筒使其接近于关注处理点定位的步骤。关注处理点与处于应力下的地层部分相关联。酸化工具可操作以在关注处理点处引入酸配料和超声能量。本方法包括在关注处理点处同时引入酸配料和超声能量的步骤。这种同时引入使来自酸配料的酸扩散进入处于应力下的地层部分中。以低于应力作用下地层压裂梯度压力的压力，引入酸配料。扩散的酸在处于应力下的地层中形成薄弱酸化点。薄弱酸化点与地层中的应力共同作用，导致形成与井筒流体连接的定向应力诱发压裂。 [0014] 图1A～1C在预先形成井筒的剖视图中示出使用本发明方法的一种实施例，其中使用酸化工具的一种实施例； [0015] 图2在预先形成井筒的剖视图中示出使用本发明方法的一种实施例，其中使用酸化工具的一种实施例； [0016] 图3示出酸化工具的一种实施例的剖视图； [0017] 图4示出酸化工具的一种实施例的剖视图； [0018] 图5示出关于酸配料暴露在第一钻芯上之前以及之后两种情况下的直方图深度分析；以及 [0019] 图6示出关于酸配料和超声能量暴露在第二钻芯上之前以及之后两种情况下的直方图深度分析。 [0020] 附图中，类似的构成要素或特征或二者可以具有相同或相似的附图标记。 具体实施方式[0021] 本说明书(其包括发明内容、附图简要说明和优选实施方式的具体描述)以及所附权利要求，涉及本发明的独有特征(包括过程或方法的步骤)。本领域技术人员应当理解，本发明包括说明书中所描述的独有特征的所有可能组合及应用。本领域技术人员应当理解，本发明并不局限于说明书中所给出的实施方式的描述，也不受其限制。本发明主题没有限制，只要其不脱离说明书和所附权利要求的精神范围。 [0022] 本领域技术人员还应当理解，描述特定实施方式所使用的术语并不限制本发明的范围或宽度。在解释说明书和所附权利要求的过程中，所有术语应当按与各术语上下文一致的最宽的可能方式解释。除非另有定义，本说明书和所附权利要求中所使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域中普通技术人员通常理解的相同含义。 [0023] 在本说明书和所附权利要求中使用时，除非上下文明确指明，单数形式的“一”以及“该”包括多个所指对象。动词“包括”及其派生形式，应当解释为以非排除方式涉及组件、部件或步骤。所涉及的组件、部件、或步骤可以是现存的、与未清楚提及的其它组件、部件或步骤组合一起使用与之组合。动词“连结”及其派生形式指完成任意形式的要求结合，包括电结合、机械结合或流体结合，以由两个或更多事先非接合对象形成单个对象。如果第一装置连结至第二装置，连接可以直接方式进行，也可以通过常见连接器实现。“可选地”及其变化形式指随后描述的事件或情况可以出现也可以不出现。本说明书包括事件或情况出现的实例以及没有出现的实例。“可操作的”及其变化形式指适配用于其适当功能并且能用于其预期应用。 [0024] 空间术语描述一个对象或一组对象相对于另一对象或一组对象的相对位置。空间关系沿垂直轴及水平轴适用。使用包括“向上(uphole)”和“向下(downhole)”、“之上”和“之下”、“上”和“下”、以及其它类似术语的取向或相关词，是为了描述方便，但并无限制，除非上下文明确指明。 [0025] 本说明书或所附权利要求提供值的范围，应当理解的是，区间包括上限和下限之间的各中间值以及上限和下限。根据所提供的排除性说明，本发明包含并且受限于较小的区间范围。 [0026] 本说明书以及所附权利要求涉及包括两种或更多确定步骤的方法时，所限定的步骤可以以任意次序实现或同时实现，除非上下文排除这种可能性。 [0027] 图1A～图1C [0028] 图1A～图1C在穿过地层预先形成井筒的剖视图中示出本发明方法的一种实施例，其中使用酸化工具的一种实施例。 [0029] 图1A示出包含处理区15的地层10，处理区15是地层10的待处理的部分。通过井筒20可接近地层10以及处理区15。井筒20从地面向下延伸至处理区15，并且由井筒壁22限定。处理区15与井筒20在井筒壁22处交界，并且，处理区15从井筒20径向延伸。处理区15具有上方边界24和下方边界26，上方边界24是通过井筒20可接近的处理区15的最上方部分，以及，下方边界26是通过井筒20可接近的处理区15的最下方部分。 [0030] 在图1A中，引入(箭头32)酸化工具30进入井筒20，使其接近于处理区15的上方边界24定位。引入酸化工具10连结至盘管34。盘管可操作以从地面向酸化工具30供给酸配料和电力。通过酸输送系统36将酸配料引入至处理区15，该酸输送系统36包括酸流通道38，该酸流通道38可操作以引入酸配料至处理区15中的井筒壁22。 [0031] 本方法的一种实施例包括地层处理区由碳酸盐岩构成的情况。 [0032] 图1B示出通过酸流通道38引入酸配料(喷嘴40)至处理区15的酸化工具30。酸化工具30将酸配料40径向方式分送到从处理区15的上方边界24至下方边界26的井筒壁22上。酸配料40涂覆所分布到的井筒壁22，这让来自酸配料40的酸扩散并渗透进入处理区15，形成处理区15的酸处理部分42。酸渗透进入处理区15达到初始酸渗透深度 44，这是从井筒壁22开始测量所获得的进入地层10深度。图1B示出酸配料40导入同时进一步引入酸化工具30进入井筒20。 [0033] 酸配料包括酸。稀释的盐酸和硫酸是用于酸配料的酸溶液的有用示例。本方法的一种实施例包括使用弱酸作为配方中的酸。弱酸是在水存在下不完全离解的酸。乙酸、甲酸、氟硼酸以及乙二胺四乙酸(EDTA)是可用弱酸的示例。这样的弱酸被认为是可用的：在与地层中存在的矿物接触时，它们与地层中矿物的反应并不是在瞬间发生的，也并不完全，而是以已知的反应常数进行量度，允许施加超声能量。本方法的一种实施例包括酸具有的pH值在约2至约5范围内的情形。 [0034] 作为所施加凝胶或发泡的一部分，酸配料可以延迟与井筒壁的接触。凝胶或发泡也能减少与井筒壁直接接触的酸配料的量，这增加了未反应酸配料的量，这些未反应酸配料可用于受到超声能量的驱动而进入处理区。由于发泡或凝胶附着至井筒壁，接近其分布部位，发泡或凝胶还能改进酸配料的定位。本方法的一种实施例包括这样的情况，酸配料是凝胶的一部分，该凝胶可操作以物理方式附着至井筒壁。本方法的一种实施例包括这样的情况，酸配料是发泡的一部分，该发泡可操作以物理方式附着至井筒壁。增压气体，包括氮气、空气、以及二氧化碳，对于产生发泡以携带酸配料是有用的。 [0035] 酸化工具30还包括超声波发射器50(示于内部)。图1C示出使用超声波发射器50向处理区引入超声能量(箭头52)的酸化工具30。酸化工具30发射超声能量52，从处理区15的上方边界24至下方边界26，径向方式进入处理区15。超声能量52辐射穿过处理区15的酸处理部分42。超声能量52推动酸处理部分42中的酸更深地进入处理区15，形成处理区15的超声处理部分54。酸更深地渗透进入处理区15，达到后续酸渗透深度56，此深度为从井筒壁22测量所获得的进入地层10的深度。后续酸渗透深度56是比初始酸渗透深度44更大的值(也就是，自井筒壁22更深地进入地层10)。图1C示出超声能量52导入，同时使酸化工具30自井筒20抽出，这允许酸化工具30达到接近于上方边界24的位置。 [0036] 基于所使用酸配料的浓度、类型、以及数量，超声波发射器能在一些频率范围和强度范围内引入超声能量进入地层。本方法的一种实施例包括以约10千赫(kHz)至约1兆赫(MHz)范围内的频率导入超声能量。本方法的一种实施例包括以每平方厘米约1瓦至约10瓦(W/cm2)范围内的声波强度(声强)导入超声能量。 [0037] 由酸化工具在大致相同方向引入酸配料以及超声能量，以促进酸的分散深入地层。本方法的一种实施例包括这样的情况：酸配料和超声能量二者都从酸化工具径向方式导入。这允许自井筒开始的地层的总作用范围。本方法的一种实施例包括将酸配料和超声能量二者引入至关注处理点。 [0038] 酸配料中的酸与地层的矿物组分反应。可用酸配料是这样的，酸与地层矿物组分的反应速度低于穿过地层扩散的速度。使用弱酸能防止一旦将酸引入至井筒壁面就消耗掉所有酸的情况。此外，将酸配料混合进凝胶或发泡也能防止一旦将酸初始施加至井筒壁就消耗掉大部分酸的情况。这允许使穿过地层的扩散距离最大化，改进了每次处理的地层增强品质，而不是用所施加酸的全部量简单地酸化处理井筒壁的表面。本方法的一种实施例包括这样的情形，在通过导入超声能量使酸扩散进入地层之前，相当部分酸不与地层反应。在本方法的一种实施例中，“相当部分”指用酸配料导入的酸的至少50％。在一种实施例中，相当部分指所导入酸的至少60％。在一种实施例中，相当部分指所导入酸的至少70％。在一种实施例中，相当部分指所导入酸的至少80％。在一种实施例中，相当部分指所导入酸的至少90％。在一种实施例中，相当部分指所导入酸的至少95％。 [0039] 初始酸渗透深度与后续酸渗透深度之间的深度差取决于数个因素，包括超声能量的声波强度和频率、施加酸配料与施加超声能量之间的时间、暴露于超声能量的时间、酸组成、以及地层组成。本方法的一种实施例包括，自井筒壁开始测量，初始酸渗透深度与后续酸渗透深度之间的深度差为至少50％更大。本方法的一种实施例包括，自井筒壁开始测量，初始酸渗透深度与后续酸渗透深度之间的深度差是在约50％至约90％更大的范围内。 [0040] 本处理方法不要求以超过地层压裂梯度压力的方式导入酸配料。尽管作为水力压裂或“压裂”流体潜在是有用的，然而，使用流体传送及扩散机械，可操作应用于深度酸化增强的酸配料，以允许酸穿过井筒壁扩散进入地层。本方法的一种实施例包括以低于地层压裂梯度压力值的压力导入酸配料。 [0041] 本方法的一种实施例包括没有导入外部供给的表面活性剂。 [0042] 图2 [0043] 类似于图1A～C，图2在穿过地层的预先形成井筒的剖视图中示出使用本发明方法的一种实施例，该实施例给出使用酸化工具的一种实施方式。酸化工具130通过酸流通道138引入酸配料(喷嘴140)至处理区115。酸流通道138沿酸化工具130定位于下方位置中。酸化工具130从处理区15的上方边界124至下方边界126分布酸配料140。来自酸配料40的酸扩散并渗透进入处理区115，形成酸处理部分142。酸渗透进入处理区115达到初始酸渗透深度144。 [0044] 同时，使用超声波发射器150(示于内部)，酸化工具130引入超声能量(箭头152)至处理区115。超声波发射器150位于酸流通道138的上方。引入酸化工具130，从而对于处理区115中的固定位置，在导入超声能量152之前，使井筒壁122暴露于酸配料140。酸化工具130从上方边界124至下方边界126发射超声能量152。超声能量152辐射穿过酸处理部分142，推动酸处理部分142中的酸更深地进入处理区115，以形成超声处理部分154。酸更深地渗透进入处理区115，达到后续酸渗透深度156。后续酸渗透深度156大于初始酸渗透深度144。 [0045] 图3 [0046] 图3示出酸化工具实施例的剖视图。酸化工具230具有酸输送系统236，该酸输送系统236带有多个酸流通道238。酸流通道238是这样的，它们可操作以将酸配料(喷嘴240)引入至关注的处理点260。酸化工具230还具有超声波发射器250，该超声波发射器 250定位成可操作以引入超声能量(箭头252)至关注处理点260。酸化工具的这种实施例允许同时引入酸配料240和超声能量252至关注处理点260，驱动酸深入地层210。酸化工具230示为用卷曲配管234和输电线管262连结至地面，卷曲配管234供给酸配料，而输电线管262供给电力。 [0047] 深度酸化增强的一种实施例包括这样的情况，通过都指向关注处理点，酸化工具同时引入酸配料和超声能量二者。关注处理点是井筒壁上的点或沿井筒壁的较短长度。 [0048] 使用这种酸化工具实施例在关注处理点处同时引入酸配料和超声能量，对于处在应力下的地层部分内建立定向压裂是有用的。引入酸化工具进入井筒，使其接近于关注处理点定位。该关注处理点与处在应力下的地层部分相关联。 [0049] 通过在关注处理点处同时引入酸配料和超声能量，在该部位处将酸扩散深入地层。酸配料的导入不要求超过处于应力下地层部分的压裂梯度。地层内的酸与地层反应，并导致薄弱酸化点形成。 [0050] 虽然图1至图3中示出在施加酸配料和超声能量时，所施加酸在垂直于井筒取向的方向受到驱动而进入地层，但深度酸渗透并引起应力诱发压裂的方法并不仅仅局限于和井筒垂直的角度。在因地层的取向而使地层自身不能相对井筒以90度角深度酸渗透的情况下，如常见于在竖井或偏斜方向井中施加酸配料和超声能量进入生产地层薄带的情况，以远程方式或者在导入井筒之前预定位的方式，可操作超声波发射器用于定位，使得超声能量按与井筒非垂直的角度引入所施加酸配料进入地层。例如，图3示出一种酸化工具230，其具有第一超声波发射器250和第二超声波发射器250，第一超声波发射器250定位成以相对于井筒取向成钝角的方式引入其超声能量252，以及，第二超声波发射器250定位成以相对于井筒取向成锐角的方式引入所发射的超声能量252。 [0051] 地层内薄弱酸化点的形成与地层中的应力共同作用，导致处于应力下的地层部分的应力诱发压裂。应力诱发压裂是定向液流通道，其不仅与井筒流体连接，而且更深进入地层。在本方法的一种实施例中，应力诱发压裂与薄弱酸化点流体连接。这种定向应力诱发压裂是可用于附加操作的流体通道。 [0052] 以大于地层压裂梯度的压力，将水力压裂流体导入该定向应力诱发压裂，能加宽压裂并使先前致密的地层打开以便开采，但相比于仅仅使地层水力压裂，这种方式以可预测且可控制的方式进行。 [0053] 图4 [0054] 图4示出酸化工具一种实施例的剖视图。酸化工具330包括与第二酸输送系统374和第二超声波发射器376串联的第一酸输送系统370和第一超声波发射器372。通过卷曲配管334从地面分送酸配料。第一酸输送系统370和第二酸输送系统374二者都与卷曲配管334流体连接并互相连接。输电线管362从地面向串联方式电连接在一起的第一超声波发射器372和第二超声波发射器376二者传送电力。酸化工具330允许单次通过井筒 320进行更多酸配料和超声能量的分送。 [0055] 辅助设备 [0056] 实施方式包括许多附加标准部件或设备，它们使上述装置、过程、方法、以及系统能够运行，并使其可操作。 [0057] 可以通过人工交互、预编程计算机控制、以及响应系统或其组合，进行过程或方法的一部分步骤或全体步骤的操作、控制以及执行。 [0058] 试验 [0059] 通过特定实施方式的示例，有助于更好地理解深度酸化增强方法。这些示例不应当用于限制或限定本发明的范围。 [0060] 为了测试超声波对酸渗透深度的影响，使用具有类似物理性能和渗透性能的两个类似的碳酸盐钻芯。两个碳酸盐钻芯都是具有对向平坦端面形式的圆柱，并且具有35毫米(mm)的面到面长度。第一钻芯具有6毫达西(mD)的初始渗透率值。第二钻芯具有8毫达西的初始渗透率值。通过以特氟隆(E.I.du Pont de Nemours and Co.；Wilmingtong，Del.)缠绕圆柱侧部但保持端面露出，制备各钻芯。 [0061] 用于试验的酸配料是5重量％含水乙酸溶液的组合物。酸配料维持处于25℃，并且不搅拌以维持静态条件。 [0062] 将第一钻芯和第二钻芯二者都局部浸在盛有酸配料的浴槽中，使得钻芯的一个端面与酸配料流体接触。第一钻芯保持其位置两个小时，而其环境没有任何附加改变。第二钻芯遵循同样过程，不同之处在于浴槽盛有酸配料、以及在两个小时酸配料暴露期间使第二钻芯暴露于来自超声源的超声能量。超声源在浸入酸配料中的第二柱体的端面处引入超声能量(以300千赫)。 [0063] 在两小时酸配料浸入期之后，使用计算机化断层显像(CT)分析，确定第一钻芯和第二钻芯二者的酸渗透距离。从钻芯的流体暴露面开始到非暴露面，CT扫描仪以5毫米间隔对两个碳酸盐钻芯执行扫描。CT扫描仪对经处理之前的两个钻芯扫描，以建立用于比较的基线。对于各钻芯，在试验之前以及试验之后沿第一钻芯和第二钻芯二者的长度获得7个CT“切片”，用以建立直方图，该直方图在确定超声能量导入对酸渗透深度的影响方面是有用的。 [0064] 图5示出关于酸配料暴露在第一钻芯上之前与之后两种情况下的直方图深度分析。图6示出在关于酸配料和超声能量暴露在第二钻芯上之前与之后两种情况下的直方图深度分析。 [0065] 直方图分析示出，第一钻芯和第二钻芯二者都与酸配料中的乙酸反应。经由CT分析产生的CT分布值的下移，这反映出与暴露于酸的端面相距该距离处的钻芯总密度变化。下移反映了酸从钻芯内部溶解了矿物成分，并且降低其总密度。CT分布中没有出现下移处所在的距离，表明酸没有渗透至该深度并从钻芯溶解矿物。 [0066] 第一钻芯的直方图分析表明，酸渗透该钻芯达到距暴露面不超过23毫米的深度。超出此距离，在对第一钻芯进行处理之前或处理之后，CT分布值没有差异，表明酸没有进一步渗透进入第一钻芯。 [0067] 第二钻芯的直方图分析表明，酸渗透该钻芯达到距暴露面几乎35毫米的深度。与第一钻芯相比，在酸配料处理期间引入超声能量进入钻芯的效果，使酸渗透距离增大至少50％。该试验示出，超声的使用增加了酸渗透深度。 |
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