[发明专利]压裂致密储层中岩石的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年3月19日提交的名称为“压裂致密储层中岩石的系统和方法”的美国临时专利申请61/315,493的优先权，将其整体通过引用并入本文。

技术领域

本技术的示例性实施方式涉及使用炸药(explosive charge)改进岩石压裂的系统和方法。

背景技术

低渗透性地层逐渐成为重要的烃源。尽管这些地层可包含大量的烃，但是地层中岩石的性质经常限制开采速度和累积体积至商业上不可行的限度。例如，致密页岩可包含大量的天然气。但是，页岩的低渗透性可能阻碍提取，除非在页岩中形成广泛的压裂网络。增加地层渗透性的技术已经使用正压力脉冲以在潜在生产井筒周围的地层中产生压裂。

炸药是用于产生正压力脉冲并引起地下地层压裂的第一种方法。这通过将甘油炸药降落进入地层，接着引爆甘油炸药进行。该方法成功形成了高密度压裂网络，但是该网络距离井筒爆炸点的空间范围有限。该方法的确增加了初始开采速度，但由于有限的空间范围，该技术未产生显著的累积采收量。

水压是目前用于导致地下地层压裂的主要方法。地面泵送装备用于驱动多种流体(气体、泡沫、凝胶、水和油等)进入井筒并增加地层中的压力。当井下压力达到压裂深度处压力与岩石抗拉强度的和时，形成压裂并随着流体进入压裂蔓延至地层中，并造成相关压力增加。称为支撑剂的各种固体材料可随着压裂流体被泵入压裂。这些材料在地面泵送装备关闭和压裂中的流体压力减少时帮助将压裂支撑开。该方法可产生具有明显横向范围，但具有相对较低密度的压裂网络。通过沿着井筒进行多个水力压裂处理，水力压裂地层的现行实施解决了密度问题。这可导致初始开采速度和累积采收量的大大提高。

上面讨论的形成地下压裂的方法有多个已知的与适用性、几何学、持续性和流体输送相关的局限性。爆炸和水压都由于克服压缩性地应力和岩石的抗拉强度以产生压裂而诱发故障。压裂通常沿着由局部应力决定的最小阻力的路径并可绕过大量的储层。这些方法在易碎材料比如二氧化硅或碳酸盐粘固的地层中发挥良好，但是在延展性材料、弱粘固的地层或富含粘土矿物质的地层中不那么有效。对具体地质力学性质值和局部应力方向的强烈依赖性通常在数种可能烃源中降低了这些采收增强选项的有效性。

压裂方法应当在地层岩石中产生渗透性的、各向同性的渗透性增加的空间广阔区域。但是，爆炸和水压往往实现一个或另一个。爆炸产生瞬间的高幅度压力增加，这种增加随着与爆炸点的距离往往快速消散。结果，该方法可产生渗透性的、各向同性的渗透性增加，但是效果具有受限的空间范围。增加炸药体积，甚至达到使用核设备，往往增加局部损坏强度，而不明显延伸空间分布。由于压裂地层之外的变形现象，近井筒损坏的增加可减小渗透性。

在水力压裂中，用足够的泵送容量可保持水压并传入压裂，允许持续的压裂生长和发展覆盖大空间范围的压裂带的能力。但是，沿具有原位应力状态确定的优选方向的有限数量压裂集中的变形趋势意味着该方法不产生渗透性的、各向同性的渗透性增加。已经开发和实施了水压方法的改进型，其包括许多处理、复合泵送顺序和同时的多个井处理。这些改进的方法可改善渗透性并减少所产生渗透性增加的各向异性。它们通常以强力方式实施，这种方式不允许控制压裂密度或指定密度增加的位置。

爆炸和水压都是通过由于应力局部增加而在裂缝面的法向位移，引起压裂形成。随着改变的原位应力朝着它们初始条件缓和(例如，来自水力压裂的流体泄漏)，产生的压裂因为将它们支撑开的力减小而将关闭。在缺少物理位移(例如，剪切诱导的偏离)或引入刚性材料作为支撑剂的情况下，这些压裂可由于渗透性的最小伴随增加而完全关闭。

与爆炸相关的破碎和物理旋转可起保持打开压裂的作用。对于水压方法，刚性固体，比如过筛的砂，经常通过压裂流体运输并沉积在压裂内。选择这些材料以能够支撑并保持打开的压裂。经验证据表明，最终支撑的压裂体积可显著小于初始产生的体积。对于水力方法，这种差异与压裂流体不能在压裂中均匀分布支撑材料有关，而对于爆炸这与变形机制的空间分布有关。在两种方法中，为产生压裂网络所做的大量功未保存在最终的打开压裂网络中。即使在压裂处理结束时支撑开的压裂可随时间关闭。例如，支撑材料可被地层应力碾碎或嵌入地层。原位应力状态和地质力学性质限制了人工支撑的压裂在其中是可行的长期渗透性增强选项的地层类型和地下状态。