注入井的构建和完井方法

摘要

本发明公开一种井的构建和完井方法，本方法一般包括以下各步骤：1)钻穿一注入区域，2)在套管上设置一种能够制止地层物质进入井眼的可延伸的可渗透部件，3)设置套管以使可延伸组件与注入区域对准，4)延伸所述构件以与注入区域地层形成直接接触，5)下入管道/完井设备，以及6)开始将所需的各种流体注入所述井内。这样不再需要对井进行射孔和砾石充填而又提高了注入井的完井的可靠性。

权利要求

1.一种注入井的构建和完井方法，包括：

钻凿一穿过开采地层的注入区域的井孔；

将套管下入到井孔内，所述套管包括一可延伸组件，该组件包括一固定部和一可动部，而可动部在其末端处具有一控砂介质，使得可延伸组件被设置在注入区域内某一地点附近；

延伸可延伸组件的可动部以接触所述地点的一面，形成套管内部与注入区域的所述地点之间的一条通道；以及经由所述通道注入流体到地层的所述注入区域，所述可延伸组件末端处的控砂介质防止出自地层注入区域的物料落入所述井孔。

2.按照权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在延伸步骤之后但在注入步骤之前灌注水泥将套管固定就位。

3.按照权利要求1所述的方法，其中注入压力超过注入区域的破裂压力。

4.按照权利要求1所述的方法，其中套管还包括多个可延伸组件，使得每个可延伸组件设置在注入区域内某一地点附近。

5.按照权利要求4所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到20个之间的可延伸组件。

6.按照权利要求4所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到12个之间的可延伸组件。

7.按照权利要求4所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到4个之间的可延伸组件。

8.一种注入井的构建和完井方法，包括：

用一种通常的钻进液钻凿到达目标注入区域上方某一点的井；

用一种“钻进液”置换通常的钻进液，所述“钻进液”是在烃类生产井构建中用于钻凿水平裸井的流体；

钻凿穿过注入区域的剩余井孔；

将套管下入到所述井孔内，套管包括可延伸组件，该组件包括一固定部和一可动部，可动部在其末端处具有控砂介质，使得可延伸组件设置在注入区域内某一地点附近；

延伸可延伸组件的可动部以接触地层，形成套管内部与地层之间的一条通道；以及经由所述通道注入流体到所述井内。

9.按照权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：在延伸步骤之后但在注入步骤之前灌注水泥将套管固定就位。

10.按照权利要求8所述的方法，其中注入压力超过注入区域的破裂压力。

11.按照权利要求8所述的方法，其中套管还包括多个可延伸组件，使得每个可延伸组件设置在注入区域内某一地点附近。

12.按照权利要求11所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到20个之间的可延伸组件。

13.按照权利要求11所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到12个之间的可延伸组件。

14.按照权利要求11所述的方法，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到4个之间的可延伸组件。

15.一种注入完井系统，包括：

井的井孔，其延伸进入并穿过开采地层的一注入区域；

套管，下入到该井孔内并包括可延伸组件，该组件包括一固定部和一可动部，所述可动部在其末端处具有控砂介质，使得可延伸组件设置在注入区域内的某一地点附近，并延伸进入注入区域，形成从套管内部到地层的通道，其中所述可延伸组件的所述可动部的末端处的控砂介质防止出自地层注入区域的物料落入所述井孔；

井注入管道和设备；以及

流体系统，用于将一种流体经由套管并流出所述通道而注入地层。

16.按照权利要求15所述的系统，其中套管还包括多个可延伸组件，使得每个组件设置在注入区域中某一地点附近。

17.按照权利要求16所述的系统，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到20个之间的可延伸组件。

18.按照权利要求16所述的系统，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到12个之间的可延伸组件。

19.按照权利要求16所述的系统，其中在注入区域内每平方英尺套管包括1个到4个之间的可延伸组件。

说明书

注入井的构建和完井方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钻井和完井的方法。

[0002] 更为具体地，本发明涉及一种没有进行打孔和砾石充填而在注入区域与井孔之间设置连通装置的方法。此方法着重于改善可靠性以超过在注入井中使用的现有砂控方法并且减少时间、提高安全性和降低成本。

背景技术

[0003] 对可靠的注入井完井的需要跨越多个行业的范畴。来自化工厂的高度腐蚀性或有毒工业废物，来自采矿作业的各种流体，来自烃类生产的水和来自电厂的冷却水可以安全地弃置在地下地层结构中。不过，将这些废物注入到注入井完井中需要可靠确保员工、周围社区和环境的安全。另外，需要可靠性来确保假如注入井完井出现故障，化工产品、矿物和电能的生产能够不中断地继续进行。注入井出故障的代价可能很高，不仅在财力方面，而且在人员和环境风险方面。由于与注入井故障相关的有形和无形成本，注入井尽可能的可靠是很重要的。另外，重要的是寻求各种途径以减少花在注入井的构建和完井所用的时间从而将成本减至最低。同样，如果可以减少在注入井完井操作期间的人员数目和设备数量，则在本质上提高了安全性。

[0004] 许多注入区域按它们的原本性质来说是脆弱或松散的岩石和/或砂岩。这些脆弱的地层包含地层颗粒和其它碎屑，它们可能脱落在井孔中并且对井的注入能力造成不利的影响。已经对防止地层在生产井中坍塌做出了许多努力和关注。在涉及出砂或地层坍塌上，水井和烃类生产井已经是主要的研究重点。多年来防止在生产井中地层坍塌的相同手段也被应用于注入井。

[0005] 一种常用的注入井的构建和完井方法是设置砾石充填以控制地层的坍塌。砾石充填是一种两级过滤介质，包括分选筛管(sized screen)和分选砂粒。分选砂粒可制止地层基岩的坍塌而筛管可使分选砂粒保持到位。一种典型的方法是用通常的钻进液钻出井孔，将套管下入到井孔内并且注入水泥将套管固定就位，用纯净盐水置换通常的钻进液，过滤盐水并清洗井孔，将射孔枪下入井内并对套管进行射孔，移除射孔枪并重新清洗套管，重新滤出纯净的盐水流体，以砾石充填筛管组件下入所述井，采用高压泵将分选筛管组件之间的分选砂粒排出进入穿孔通道并靠着地层表面，并且填满分选筛管与套管之间的环形空间。这是一种成本高而又耗时的过程。

[0006] 以上的步骤具有许多缺点。这些缺点可以分成两类：设备和工艺可靠性。存在这样一些情况，其中的泄漏造成了射孔枪的低位起爆从而导致丧失或低水平的射孔功能以及为清除受损射孔枪机件所需的昂贵的打捞作业。还有，在用于将分选砂粒在所述筛管周围设置就位的高压泵送操作期间分选筛管的失效导致额外的打捞操作。

[0007] 在采用这种类型的注入井的构建和完井的注入期间，地层的损坏也是一个问题。通常的钻进液可以允许滤出液和固体颗粒侵入地层而造成开采孔隙空间中的许多限制。地层损坏的另一来源是用在射孔中的成形装药(shapedcharges)或爆炸物。在产生射孔通道时，来自于这些爆炸物的能量将套管、水泥和地层向侧面推压。这样造成地层基岩的破碎而降低了可渗透性并限制了注入流体进入地层的流动潜力。

[0008] 另外一种常用的注入井的构建和完井方法是钻出井孔而不使套管下入到开采的地层。这种类型的井的构建称作裸眼(barefoot)或裸井(openhole)。最常见的作法是在裸井段中下入一个分选筛管组件，并在筛管周围铺放分选砂粒以充填筛管与地层表面之间的区域。与带套管和射孔完井相比，在一个裸井中对接收流体有用的地层表面积的大量增加有助于在这些类型的完井中提高注入能力。

[0009] 在裸井和带套管井孔这两种完井中，分选筛管组件本身可当作井孔中的障碍。这样可能造成阻碍注入的不必要的压力下降。另外，为了修补作业分选筛管可能需要移除。从井孔中移除某一物体的过程被称为打捞。这些作业都费钱耗时并且不会总是成功的，这就导致需要重新钻凿井的一部分或可能是整个的井。在有害废物已经被注入井内时，打捞可能成为对工人、社区和环境的危害。可靠性对于注入井的设计和完井来说是一项关键性的主导因素。

[0010] 所要记住的是，上述各种方法是为开采作业而发展出来的，注入井的可靠性问题成为一个大的问题。在开采环境中，流体从开采地层流出，地层物质的任何坍塌或移动都由分选砂粒保持而其本身又由分选筛管保持。这种结合产生了一种防止地层物质坍塌在井孔中的可靠手段。不过，在注入模式中，流体从井孔中流出，通过分选筛管，通过分选砂粒而进入地层。如果分选砂粒被泵离所述分选筛管，地层物质就可自由地经过分选筛管进入井孔。存在着几种可能的机理，可使分选砂粒从分选筛管处被移置。

[0011] 在裸井和带套管井孔两种类型的完井中，地层损坏可能阻碍井内注入。这也可能是希望以很高的注入速度将较大容量的流体注入到井内的时候。如果希望的注入速度和压力超过地层破裂压力，地层基岩裂开和裂缝就会开裂。当地层破裂时，注入区域的表面面积沿着裂开或破裂表面增大。这就允许流体以所需的泵入速度进入地层。破裂地层的一种有害的副作用是，本来围绕筛管铺放作为砾石充填过滤介质的重要组成部分的分选砂粒被泵离筛管而进入随着地层基岩被压裂而展开的裂缝里面。当这种情况出现时，地层可能经由分选筛管塌入井孔内。

[0012] 有时在注入井中使用酸以提高流体注入地层的能力。酸在某些情况下可以溶解足够的地层基岩而使得分选砂粒能够被泵离筛管一段距离以便允许地层物质进入井孔。在某些情况下，被泵入井孔的注入流体造成地层基岩的重新分布，这就可能以使分选砂粒可被泵离分选筛管的方式导致地层基岩致密或重新组合。任何可造成分选砂粒中最细小空隙的作业都可能导致地层坍塌和损失向井内的注入能力。

[0013] 许多可免用射孔和砾石充填的装置已被引入用于烃类生产井中。Zandmer的美国专利第3347317号公开了一种可延伸的导管，以固体颗粒作为一种砾石充填介质。Johnson的WO 9626350披露了一种可伸出的装置。这些装置在烃类生产中未得到广泛应用。这些装置可收集在砂控过滤介质与地层表面之间的钻井泥浆滤饼，该滤饼由于阻塞地层和过滤介质而限制了生产能力。在另一项以烃类生产为目标的发明中，Reinhardt的美国专利第5425424号公开了在这些可延伸的导管中不采用任何砾石充填介质。因为当其用在开采井中时的生产能力不佳，这些装置未被采纳作为烃类生产中一种可被接受的作法。

[0014] 对于注入井来说，注入能力不佳可以通过如注入速度要求所确定的那样超过地层破裂压力来予以克服。通过应用包含分选得可防止地层坍塌的一种高强度过滤材料的预先制成的孔，将会大大地提高注入井的可靠性。

[0015] 因此，本领域中需要一种注入井的构建和完井方法，能够可靠地防止地层塌入注入井的井孔，同时又消除了与各分选筛管相关联的内部直径的限制。

发明内容

[0016] 本发明提供一种注入井的构建和完井方法，包括以下各步骤：钻凿一开采区间或地层并在套管上装设一包括过滤介质的侧向可延伸组件，从而在下入套管时，此可延伸组件与注入区域对准。此方法还包括以下各步骤：延伸构件以使它与开采区间的注入区域形成直接接触，将开采管道/设备下入到井内并将流体注入并穿过可延伸组件而进入井的开采地层的注入区域。此方法还包括在注入所述井之前注水泥巩固所述套管的步骤。

[0017] 本发明提供一种用于注入井完井的流体系统，包括一井孔，其钻入一开采区间或地层的注入区域，以及一套管，其包含一下入井孔的可延伸组件以致所述可延伸组件设置在区间中的某一地点附近并延伸以直接接触地层表面而形成一注入通道，在此所述构件包括可延伸组件的一个可伸出部分之中的一种过滤介质。此系统还包括开采管道和设备以及流体供应系统，其中流体供应系统适合于经由区间内的各通道注送注入流体。优选地，套管包括多个可延伸的组件，每一构件设置在区间之中的某一地点附近并伸出从而在套管内部和地层之间形成一条流体可以流过的通道。优选地，注入流体是一种流体，具有的注入压力低于地层的破裂压力；这些在烃类生产井构建中用于钻凿水平裸井的流体，是称为“钻进液(Drill-In Fluids)”的一种类型的钻进液。可以采用通常的各种流体，不过，在多数情况下，这些流体的注入压力超过注入区域的破裂压力。

附图说明

[0018] 通过参照以下详细的说明以及附图可以更好地理解本发明，附图中同样的部件以同样的附图标记表示：

[0019] 图1是一示意图，示出注入井钻进到达预期注入区域上方的某个点处；

[0020] 图2是一示意图，示出使用一种“钻进液”钻穿所述注入区域，还表示可用于确定注入区域深度和长度的随钻测井工具；

[0021] 图3是一示意图，示出运作在套管上的可延伸组件及将它们横过所述注入区域进行定位；

[0022] 图4是一示意图，示出延伸所述装置以接触地层表面并将套管置中；

[0023] 图5示出由水泥固定到位的套管；

[0024] 图6是处于注入模式中的井的示意图。

具体实施方式

[0025] 本发明人研发了一种新的注入井的构建和完井方法及系统，涉及在开采地层中钻进并在开采地层中装设套管，所述套管包含至少一个和优选是包括多个可延伸组件。在设置套管后使得可延伸组件处在开采地层之内而且尤其是处在开采地层的某一注入区域之内，构件延伸使得所述各构件的末端与地层的表面形成直接接触。一旦构件被伸出，套管可以用水泥粘结，以及开采管道/设备可以下入到井内。某一流体然后可以泵入所述管道使得它经由延伸的构件受迫而出进入开采地层的注入区域。

[0026] 本发明广泛地涉及一种注入井的构建和完井方法，包括的步骤是：在开采区间或地层内钻凿出一个井孔并装设套管，所述套管包括至少一个沿侧向可延伸、具有一种过滤介质的组件，使得可延伸的组件能够延伸从而形成进入地层的某一注入区域的通道。此方法还包括的步骤是：延伸所述构件使得它们与开采区间的注入区域的地层表面形成直接接触，将开采管道/设备下入到井孔并将流体注入管道，通过各可延伸的组件并进入开采地层的注入区域。此方法还可以包括在将流体注入到井内之前灌注水泥以巩固套管的步骤。

[0027] 本发明还广泛地涉及一种用于已完成的注入区域的系统，其中包括井孔，该井孔包含开采地层中的一个区间以及套管，所述套管具有至少一个下入到井孔的可延伸组件，在井孔中，所述构件装设在区间之内并被延伸以通过使每一构件的末端直接接触在此区间之内各地点处地层的表面而形成套管与所述区间之间的通道。此系统还包括开采管道和设备以及流体供给系统，其中流体供给系统适于经由区间内的通道注送注入流体。

[0028] 适当的注入流体包括任何一种能够被注入井内的流体，但不限于此。虽然可以采用通常的一些钻进液，但在大多数情况下，为将这些流体注入该井所需的压力显著地超过注入区域破裂压力。没有限制，优选的流体包括披露在此处引入作为参考的Johnson的美国专利第5504062号；Mondshine的第4620596号；Mondshine的第4369843号以及Mondshine的第4186803号，或者任何其它类似的流体。本领域技术人员将会认识到，披露在美国专利第5504062号中的各类型的流体系统有能力使侵入地层的滤液和颗粒物达到最少。披露在美国专利第5504062号中的各种流体表明了可保护地层的各种颗粒大小的流体构成和具有对地层的最小损害经由通常的砾石充填介质的回流。这些流体是为用于烃类生产的裸井的构建而设计的；更为具体地说，它们用于裸井水平钻进。对在烃类生产地层中使用的井来说，在井的构建和维修作业期间包含盐粒(sized salt)的Mondshine流体系统保护着地层。Mondshine流体一直用作水平裸井构建中的钻进液。假如各种Mondshine流体用在本发明中，则可以采用一种溶剂以减小滤饼颗粒大小或完全溶解滤饼中的盐颗粒。这些特定的流体在本发明中是很有意义的，因为溶剂可能来自于注入水或基于注入到注入区域里的流体的水。虽然采用以上提及的各种流体是本发明方法的一些优选实施例，但采用这些流体系统不应当认为是一种限制。可以保护地层并有可能被溶解以保证最大的注入率的各种新型聚合物和流体构成被测试并在市场上可以购得。这些使用在烃类生产井的构建中用于裸井水平钻井的流体是作为“钻进液”的某一类型的钻进液。

[0029] 在井的构造期间可以通过利用随钻测井工具或者裸井电测仪来识别注入区域。这些工具可辨认注入区域的可渗透地层深度和厚度。将替代射孔和砾石充填完井的可延伸组件在套管柱上分隔开来以使它们在由测井记录确定的注入区域之内对准。取决于一般在1至20之间的地层预期注入要求，优选地可要求每英尺的可延伸组件在1至12之间以最小化井孔的注入压力。在许多情况下，每英尺四个可延伸组件是适当的。然后，套管下入井孔，使得可延伸组件定位在注入区域之内，从而使所述构件一旦延伸就会直接接触地层。可延伸组件以机械方式、机电方式或液压方式延伸，以使构件与地层表面形成接触。另外，某些装置会协助将套管在井孔中置中。在所述构件延伸之后，套管随后可以被灌注水泥。注入管道/设备然后下入所述井内。根据用在钻井过程中的“钻进液”的类型，所述井可以用于注入或用于泵送溶剂以除去滤饼。

[0030] 现在参照图1，图中表明一个钻井系统，总体用100表示，包括一钻井箱座或平台102，其具有设置在其上的钻机104。钻井系统100可选择地包括一水下防喷装置(未示出)，其设置在位于海床108上的井口106的上方。系统100还包括一井的套管柱110，其包含一导向套管112、一表面套管114和一中间套管116。正如为本领域普通技术人员很好理解的，套管柱110安放在井孔118之中并灌注水泥予以就位。正如图1所示，采用钻井组件124一直继续到开采地层122中的目标注入区域120(见图2)。钻井组件124包括钻柱
126和井底组件128。井底组件128包括随钻测井地层评估传感器130、钻井马达132、钻柱扶正器134以及钻头136。

[0031] 进一步参照图1，井底组件128已与一标志地层138相交。标志地层138是在进入目标注入区域120之前所达到的一个选定的地质指标。标志地层138提供从井底位置140到注入区域120所需要的额外的钻进深度的指示。当井底位置140处于注入区域120以上大约200至500英尺时，通常的钻井泥浆将以一种被选定用来保护注入区域地层120的“钻进液”来予以置换。通过将“钻进液”泵入钻柱128并沿井孔118的环形空间142(通常的钻进液)向上回返，“钻进液”置换了常规的泥浆。

[0032] 现在参照图2，井孔118的钻进采用“钻进液”继续并且延伸穿过注入区域120。现在显示的井底140已延伸穿过注入区域120。在达到所需的总深度之后，钻柱126和井底组件128从井孔118中提出。开采套管144(见图3-6)然后被下入到井内。开采套管144包括多个可延伸组件146，以致当套管144达到井孔118底部140时，可延伸组件146定位在开采地层122的注入区域120中。

[0033] 现在参照图3、4、5、6和7A-C，图中所示的注入区域120的放大部分148中包含可延伸组件146。如图7A-C中所示和如前面所述，一个或多个可延伸组件146以一种间隔开来的结构定位在套管144之中，该结构设计成从套管144内部150到与组件146相邻的注入区域120中的各地点152形成通道的相应间隔开来的结构。可延伸组件146的数量将取决于井孔的注入要求。预计在注入区域中每英尺有十二个可延伸组件将适合于大多数应用；不过，可以采用每英尺多一些或少一些的组件，而对最大数量的限制是由保持套管的充分强度来进行控制从而使所述套管可以被运用。套管144每英尺12个可延伸组件146的三种图示构造示出在图7A-C中。

[0034] 见图3，图中显示在使用中就位的可延伸组件146。可延伸组件146内置在套管144之中。环形空间142(在套管144与井孔118之间)可以在此处充以“钻进液”或由一种不带固体的流体所置换的“钻进液”。可延伸组件146伸展通过套管144的外壁154并向内伸进套管144的内部150。可延伸组件146包括固定段156和可动段158，后者具有位于可动段158的末端部分162之内的控砂或过滤介质160。固定段156锚固在套管144里面并支承可动段158，从而使可动段158能够朝向注入区域120中的地点152伸缩通过套管
144的外部表面154。

[0035] 参见图4，可动段158借助于液压装置延伸使其末端164直接接触于与可延伸组件146邻近的注入区域120的表面168相关联的滤饼166，此处滤饼166保护所述注入区域120。延伸的可动段158形成了套管144内部150与注入区域120之间的一条通道170。开采套管144此时准备好被灌注水泥从而被固定在井孔118中。参见图5，环形空间142被充以水泥172，从而使注入区域120与除了通过由可延伸组件146形成的通道170以外的液流隔绝。此时，注入管道/设备被下入到井内并且该井已准备好供流体注入之用。

[0036] 现在参见图6，一种流体174经过由可延伸组件146形成的通道170被注入地层122。应当注意的是，注入地层122的流体174已经移除由可延伸组件146限制的滤饼168的部分176。注入的流体174沿注入管道向下泵送并进入套管144并最终进入由可延伸组件146形成的通道170。注入的流体174然后经过由可延伸组件146形成的通道170并进入地层122。当然，每一可延伸组件146都以类似的方式工作以致于为每一可延伸组件146形成的通道与装在套管上的可延伸组件的排列图案一致。还应当认识到，注入的流体174可能在本质上是有害的和有腐蚀性的。因为地层只有经过由可延伸组件146形成的通道170才是可进入的并且注入的流体172维持了经由各通道170进入地层122的流动，阻止进入井孔118或套管144的流动，假如注入速率未达到所需的不超过地层破裂压力的水平，则破裂压力可以被超过而不必担心地层物质会塌入井孔118内。

[0037] 所有在此引用的参考文献都被纳入作为参考。虽然已经对本发明进行了全面和完整的说明，但应当理解，在权利要求书的范围内，本发明也可以使用不同于具体说明的方式予以实施。虽然本发明已经参照各优选实施例进行了公开，但通过阅读本说明书，本领域普通技术人员应理解到，可以在不偏离本发明的如上所述和权利要求的范畴和精神的情况下做出改变和改进。