СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ РАЗРЫВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПЛОТНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ Российский патент 2016 года по МПК E21B43/263 

[0001] Это заявка испрашивает приоритет предварительной Патентной заявки США 61/315493, поданной 19 марта 2010 г. и названной СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ РАЗРЫВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПЛОТНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ, которая полностью включена здесь в качестве ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Примерные варианты реализации настоящих методик относятся к системе и способу для улучшенного разрыва горной породы с использованием зарядов взрывчатого вещества.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Формации с низкой проницаемостью становятся все более и более важными источниками углеводородов. Хотя эти формации могут содержать существенные объемы углеводородов, свойства горной породы в формациях часто ограничивают скорости извлечения и суммарные объемы до пределов, которые коммерчески не допустимы. Например, плотный сланец может содержать значительные количества природного газа. Однако низкая проницаемость сланца может препятствовать извлечению углеводородов, если только не создать обширную сеть разрывов в сланце. В методиках для увеличения проницаемости формации использовались импульсы избыточного давления, чтобы создать разрывы в формации вокруг потенциально производительного ствола скважины.

[0004] Использование взрывчатых веществ было первым используемым способом для создания импульсов избыточного давления, приводящих к разрывам подземной формации. Это выполнялось опусканием динамита в формацию с последующей детонацией динамита. Способ успешно создавал сети разрывов высокой плотности, но сети имели пространственное ограничение вдали от места подрыва ствола скважины. Способ действительно увеличивал начальные скорости извлечения, но вследствие пространственного ограничения методика не приводила к существенному увеличению суммарных объемов извлечения.

[0005] Гидравлическое давление является в настоящее время первичным способом, используемым для получения разрывов подземной формации. Поверхностное насосное оборудование используется для закачки разнообразных флюидов (газы, пены, гели, вода, и нефть, среди прочего) к низу ствола скважины и для увеличения давления в пределах формации. Когда давление в скважине достигает суммы давления на глубине разрыва с пределом прочности горной породы, разрывы формируются и распространяются в формацию, поскольку флюид входит в разрывы и вызывает соответственное увеличение давления. Разнообразные твердые материалы, называемые расклинивающими агентами, могут быть закачаны в разрывы с разрывным флюидом. Эти материалы помогают удерживать разрывы открытыми, когда поверхностное насосное оборудование прекращает работу и флюидные давления в пределах разрыва уменьшаются. Этот способ может создать сети разрывов со значительной боковой протяженностью, но с относительно низкой плотностью. Текущая практика гидравлического разрыва формации направлена на решение проблемы плотности посредством выполнения многократных гидравлических обработок разрыва вдоль ствола скважины. Это может привести по существу к увеличенным начальным скоростям извлечения и увеличению суммарных объемов извлечения.

[0006] Рассмотренные выше способы для разрыва подземной формации имеют несколько известных ограничений, связанных с их применимостью, геометрией, рациональностью и перемещением флюида. И взрывы, и гидравлическое давление производят разрушение, преодолевая для образования разрывов сжимающее земное напряжение и предел прочности горной породы. Разрывы часто следуют по пути наименьшего сопротивления, определяемому локальными напряжениями, и могут миновать большие объемы коллектора. Эти способы работают лучше всего в хрупких материалах, таких как кварц или карбонизированные формации, но они намного менее эффективны в пластичных материалах, слабо цементированных формациях или в обогащенных глинистой породой формациях. Сильная зависимость от определенных значений геомеханических свойств и направлений локальных напряжений часто снижает эффективность этих расширенных вариантов извлечения в некоторых классах потенциальных углеводородных ресурсов.

[0007] Способ разрыва должен создавать пространственно протяженную область проникающего, изотропного увеличения проницаемости формации горной породы. Однако обычно реализуются или взрывы, или гидравлическое давление. Взрывы создают мгновенные увеличения давления с большой амплитудой, которые обычно быстро спадают с расстоянием от места взрыва. В результате этот способ может создать проникающие, изотропные увеличения проницаемости, но эффект при этом имеет ограниченную пространственную протяженность. Увеличение мощности заряда, даже вплоть до использования ядерных устройств, обычно увеличивает уровень локального разрушения, вместо того чтобы значительно расширить пространственное распределение. Приближение разрушения к стволу скважины может уменьшить проницаемость вследствие явлений деформации вне разрываемой формации.

[0008] При гидравлическом разрыве гидравлические давления могут быть поддержаны и переданы в разрывы при достаточной производительности насоса, позволяя продолжить рост разрыва и давая возможность развернуть зону разрыва, охватывающую значительную пространственную протяженность. Однако тенденция деформации к сосредоточению вдоль ограниченного числа разрывов с предпочтительной ориентацией, определяемой данными условиями напряжений, означает, что этот способ не создает всеобъемлющих, изотропных увеличений проницаемости. Были разработаны модификации способа гидравлического давления и практиковалось включение многократных обработок, сложные последовательности накачки и одновременные множественные обработки скважины. Эти модифицированные способы могут улучшить проницаемость и уменьшить анизотропию образующегося увеличения проницаемости. Они обычно осуществляются способом решения "в лоб", который не предполагает контроль плотности разрыва или определение местоположения увеличенной плотности.

[0009] И взрывы, и гидравлическое давление вызывают разрыв формации посредством смещения, нормального к поверхности забоя, в результате локальных увеличений напряжения. Если данные измененные напряжения релаксируют к их начальным состояниям (например, флюид вытекает из гидравлического разрыва), то произведенные разрывы закроются, поскольку сила, которая поддерживала их открытыми, уменьшается. В отсутствие физического смещения (например, смещения, вызванного разрезом) или введения твердых материалов в качестве расклинивающих агентов эти разрывы могут полностью закрыться с минимальным сопутствующим увеличением проницаемости.

[0010] Растрескивание и физические повороты, связанные с взрывами, могут действовать так, чтобы сохранять разрывы открытыми. Для способов гидравлического давления, твердые частицы, например просеянный песок, часто транспортируются гидроразрывным флюидом и осаждаются в пределах разрывов. Эти материалы выбираются так, чтобы имелась возможность расклинивания и поддержания разрывов открытыми. Эмпирически очевидно, что конечный расклиненный объем разрыва может быть по существу меньше начального произведенного объема. Для гидравлических способов это несоответствие связано с невозможностью для разрывного флюида однородно распределить расклинивающий материал в пределах разрыва, тогда как для взрывов это связано с пространственным распределением механизмов деформации. В обоих способах существенное количество работы, выполненной для создания сети разрывов, не сохраняется в окончательной сети открытых разрывов. Даже разрывы, которые расклинены до открытия в конце разрывных обработок, могут закрыться в течение длительного промежутка времени. Например, расклинивающий материал может быть раздавлен напряжениями формации или внедрен в формацию. Данные условия напряжения и геомеханические свойства задают ограничение на типы формаций и условия под поверхностью, в которых искусственно расклиненные разрывы представляют собой жизнеспособную долгосрочную альтернативу расширения проницаемости.

[0011] В дополнение к созданию открытой, связанной сети разрывов, потенциальное увеличение скорости извлечения и совокупного объема зависит от способности углеводородов течь от формации поперек плоскости забоя и в разрыв. Способ разрыва должен давать возможность избежать этого перемещения массы. Флюиды, используемые для гидравлического разрыва формации, могут иметь существенное отрицательное воздействие на поток углеводородов поперек плоскости забоя. И для нефтяных, и для газовых протяженных формаций использование водных разрывных флюидов может привести к поглощению их в плоскости забоя и существенным снижениям относительной проницаемости для нефти и газа. В формациях с чрезвычайно низкими начальными проницаемостями это могло бы создать эффективный барьер для потока углеводородов, который будет сводить на нет потенциальное увеличение потенциала течения, связанного с созданием разрыва.

[0012] В случае газоносных формаций использование разрывных флюидов на основе или нефти, или воды может привести к их поглощению и уменьшению потенциала газового потока. Даже в случае, когда разрывной флюид не впитывается в плоскость забоя, присутствие флюидов более высокой плотности в разрывах может уменьшить действие давления для потока углеводородов из формации (например, относительное ослабление проницаемости). Кроме того, очень малые начальные проницаемости ограничивают возможность вытекания углеводородов из формации и вымывание разрывных флюидов из разрывов. Таким образом, более эффективное использование взрывчатых веществ может позволить образовать увеличенный разрыв и увеличение выработки без проблем, вызванных присутствием разрывного флюида.

[0013] Использование взрывчатых веществ может быть улучшено соответствующим размещением взрывчатых веществ в определенные местоположения в формации. Это может быть выполнено бурением сложной структуры скважины с использованием усовершенствованной технологии бурения, например койлтюбингового реактивного бурения, среди прочего. Например, в Патенте США No.5291956 описывается использование койлтюбинга, оборудованного не вращающимся реактивным инструментальным средством бурения. В качестве другого примера Патент США No.5735350 описывает способы и системы для создания многозабойной скважины и улучшенных структур многозабойной скважины.

[0014] Существуют различные методики, которые используют взрывчатые вещества для создания расширенных зон разрыва в глубоких стратах. Например, в Патенте США No.3674089 описывается способ для воздействия на формации, используя взрывчатые вещества, помещенные в стратегически установленные незаконченные скважины для разрыва большого участка формации и создания межскважинной коммуникации. Незаконченные скважины затем могут быть закупорены, и законченная производственная скважина может быть пробурена в сеть разрыва для добычи нефти из формации. Способ был разработан для страт с высоким содержанием нефти и большой пористостью, но имеющих низкую проницаемость и поэтому недостаточную первичную производительность.

[0015] В Патенте США No.3902422 описывается создание сети разрывов в глубокой горной породе последовательным подрывом взрывчатых веществ в отдельных впадинах. Каждый подрыв происходит после того, как жидкость вошла в зоны разрыва, образованные предыдущими смежными взрывами. Таким образом, каждый взрыв выметает мелкие частицы, образованные предыдущими взрывами. Сеть разрывов затем может быть выщелочена для удаления руды из зоны разрыва.

[0016] В Патенте США No.6460462 описан способ продувки горной породы или подобных материалов на поверхности и при выполнении подземной добычи. В описанном способе соседние буровые скважины загружаются взрывчатыми веществами и снабжаются детонаторами. Детонаторы программируются с соответствующими интервалами задержки в соответствии с взрывной конфигурацией и минералогической/геологической средой и получающимися сейсмическими скоростями.

[0017] В Патенте США No.5295545 описано помещение реактивного топлива в скважину. Топливо воспламеняется для быстрого получения газообразных продуктов сгорания, чтобы создать давление, превышающее необходимое давление для разрыва окружающей формации. Газообразные продукты сгорания образуются со скоростью, большей, чем они могут быть поглощены в любом отдельном разрыве, тем самым, приводя к распространению множественных разрывов в окружающую формацию.

[0018] Существуют методики для того, чтобы поместить расклинивающий агент в разрывы, используя взрывчатые вещества. Например, в Патенте США No.4714114 описана технология использования управляемого импульсного разрыва формации (CPF), в соответствии с которой взрывчатые вещества создают разрывы и вводят расклинивающий агент в разрыв, тем самым, улучшая добычу нефти. В Патенте США No.3713487 описан способ для взрывного разрыва нефтяной формации, смежного со скважиной, который выполняется в присутствии расклинивающего агента, например стеклянной дроби, песка или алюминиевых частиц. Расклинивающий агент вводится в разрывы, сформированные взрывом, и, таким образом, избегается необходимость в использовании жидкостей для разрыва или расклинивания. Следуя этой концепции, в Патенте США No.4391337 описывается интегрированное реактивное перфорирование и управляемое топливное реактивное устройство разрыва. Разрывное устройство создано с цилиндрической обсадной трубой переменного сечения и переменной толщиной стенки, с обсадной трубой, заполненной материалами, образующими горючий топливный газ, окружающими специально ориентированные и размещенные с зазором кумулятивные заряды. Абразивный материал распределен в пределах объема, заполненного топливом, вдоль длины устройства, чтобы произвести перфорирования. Устройство помещается в формацию и воспламеняется, причем высокоскоростная реактивная струя проникает через зону добычи ствола скважины, инициируя разрывы. Воспламенение топливного материала высокого давления следует одновременно, что усиливает и распространяет разрывы, инициированные реактивной струей. Хотя в этих ссылках описано взрывное расположение расклинивающего агента в формации, ни в одной из них не описано образование обширной сети разрывов в плотных коллекторах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] Примерный вариант реализации настоящих методик предоставляет систему для взрывного разрыва коллектора. Система может включать в себя заряд со сминаемой головной частью и раму, сконфигурированную для ориентации заряда со сминаемой головной частью к поверхности забоя горной породы в стволе скважины в коллекторе.

[0020] Система может также включать в себя внутреннюю электрическую шину, связанную с зарядом со сминаемой головной частью, причем внутренняя электрическая шина сконфигурирована для передачи сигнала воспламенения на инициирующий заряд, чтобы взорвать заряд со сминаемой головной частью. Контроллер может быть связан с внутренней электрической шиной, с кабелем, подключающим контроллер через ствол скважины к поверхности, причем кабель сконфигурирован для передачи сигнала на контроллер для инициирования сигнала воспламенения.

[0021] В примерном варианте реализации система включает в себя контроллер, связанный с внутренней электрической шиной, и приемник, связанный с контроллером, причем приемник сконфигурирован для регистрации импульса сигнала для инициирования сигнала воспламенения от контроллера. Портативный источник питания может быть связан с контроллером и детектором импульса.

[0022] Система может включать в себя движущий заряд, который проталкивает расклинивающий агент в разрывы, образованные в плоскости забоя горной породы взрывом заряда со сминаемой головной частью. Расклинивающий агент может включать в себя песок, стеклянную дробь, частицы керамики или любые комбинации этого. В примерном варианте реализации расклинивающий агент включает в себя энергетический материал, который сконфигурирован для детонации в разрывах.

[0023] Рама может включать в себя оболочку, сконфигурированную так, чтобы позволить транспортировать потоком флюида заряд со сминаемой головной частью в ствол скважины. Ствол скважины может быть боковым стволом скважины, пробуренным из главного ствола скважины.

[0024] Другой примерный вариант реализации настоящих методик предоставляет способ разрыва горной породы в коллекторе. Способ может включать в себя бурение одной или нескольких скважин в коллектор, причем, по меньшей мере, одна из скважин содержит главный ствол скважины с двумя или несколькими боковыми стволами скважины, пробуренными из главного ствола скважины. Средняя линия в конце каждого бокового ствола скважины, который противостоит главному стволу скважины, может находиться в пределах конуса приблизительно 30° относительно перпендикуляра к главному стволу скважины. Один или несколько взрывных зарядов могут быть помещены в пределах каждого из двух или нескольких боковых стволов скважины. Взрывные заряды могут быть взорваны, чтобы создавать импульсы давления, которые, по меньшей мере, частично разрывают горную породу между двумя или несколькими боковыми стволами скважины, где взрывы спланированы по времени так, что один или несколько импульсов давления, исходящих от различных боковых стволов скважины, взаимодействуют между собой.

[0025] Множество главных стволов скважины, ответвляющихся, по меньшей мере, от одной из скважин, может быть пробурено. Множество главных стволов скважины по существу параллельны друг другу, и каждый из множества главных стволов скважины может быть связан с множеством боковых стволов скважины.

[0026] В примерном варианте реализации боковой ствол скважины пробурен от главного ствола скважины с использованием механических буров. В вариантах реализации боковой ствол скважины может быть пробурен с использованием водяных реактивных струй. Взрывные заряды могут быть взорваны по существу одновременно. Расклинивающий агент может быть помещен в разрывы, образованные импульсами давления, используя гидравлические методики разрыва. В примерном варианте реализации главный ствол скважины по существу параллелен направлению минимального горизонтального напряжения в формации горной породы. Главный ствол скважины может быть по существу перпендикулярным направлению минимального горизонтального напряжения в формации горной породы.

[0027] Боковые стволы скважины могут быть пробурены от главного ствола скважины так, что три или несколько ветвей ствола скважины по существу формируют плоскость. В примерном варианте реализации плоскость может быть приблизительно горизонтальной. В другом варианте реализации плоскость может быть приблизительно вертикальной.

[0028] Взрывные заряды могут быть взрывчатым веществом со сминаемой головной частью. Взрывные заряды могут быть подорваны в последовательности, которая оптимизирована на основании компьютерного моделирования импульсов давления и прочности и распределения узлов максимальной конструктивной интерференции. В примерном варианте реализации взрывные заряды могут быть помещены в боковой ствол скважины потоком флюида, переносящим заряды в боковой ствол скважины.

[0029] Другой примерный вариант реализации настоящих методик предоставляет способ сбора эксплуатационных флюидов из формации под толщей горной породы. Способ может включать в себя бурение скважины в формацию, причем скважина содержит главный ствол скважины. Два или несколько боковых стволов скважины могут быть пробурены от главного ствола скважины, причем каждый из боковых стволов скважины по существу перпендикулярен главному стволу скважины. Инструментальное средство, несущее заряд со сминаемой головной частью, может быть помещено в каждый из боковых стволов скважины. Заряд со сминаемой головной частью может быть взорван в установленной временной последовательности, сконфигурированной так, чтобы позволить ударной волне от заряда со сминаемой головной частью взаимодействовать со второй ударной волной от взрыва другого заряда со сминаемой головной частью. Эксплуатационные флюиды могут быть извлечены из формации под толщей горной породы. В примерном варианте реализации движущий заряд может быть подорван, чтобы продвинуть расклинивающий агент в разрывы, созданные взрывом заряда со сминаемой головной частью.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0030] Преимущества настоящих методик лучше проясняются при обращении к следующему подробному описанию и приложенным чертежам, среди которых:

[0031] Фиг.1 изображает схему коллектора, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0032] Фиг.2 - вид в плане коллектора, показывающий множественные боковые стволы скважины, пробуренные прочь от каждого смежного сегмента главного ствола скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0033] Фиг.3 - вид в плане одного главного ствола скважины с множеством боковых стволов скважин, показывающий последовательную детонацию взрывчатых веществ в боковых стволах скважины в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0034] Фиг.4 - вид сбоку чертежа на Фиг.3, показывающий множественные ударные волны, исходящие от взрывов в боковых стволах скважины в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0035] Фиг.5 - способ разрыва горной породы в коллекторе в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0036] Фиг.6 - схематический вид приспособленного взрывчатого вещества со сминаемой головной частью, которое может использоваться в примерных вариантах реализации настоящих методик;

[0037] Фиг.7 - график, показывающий распределение энергии от взрыва в стволе скважины;

[0038] Фиг.8A - график распределения энергии взрыва условного взрывчатого вещества в слое твердой горной породы;

[0039] Фиг.8B - график распределения энергии взрыва условного взрывчатого вещества в слое мягкой горной породы;

[0040] Фиг.9 - график распределения энергии плоского слоя взрывчатого вещества в слое мягкой горной породы;

[0041] Фиг.10 - чертеж инструментального средства, которое поддерживает множество зарядов со сминаемой головной частью для вставки в боковой ствол скважины в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик;

[0042] Фиг.11 - вид спереди инструментального средства на Фиг.10 в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик; и

[0043] Фиг.12 - схема другого инструментального средства, которое может быть использовано для помещения взрывчатых веществ в боковой ствол скважины в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0044] В нижеследующем разделе подробного описания рассматриваются конкретные варианты реализации настоящих методик. Однако в той степени, в которой нижеследующее описание является определенным для конкретного варианта реализации или конкретного использования настоящих методик, оно предназначено, чтобы служить только примером, и просто предоставляет описание примерных вариантов реализации. Соответственно, методики не ограничиваются описанными ниже конкретными вариантами реализации и включают в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, находящиеся в пределах истинной сущности и объема притязаний приложенной формулы.

[0045] Вначале, для удобства, сформулированы некоторые термины, используемые в этой заявке, и пояснены их значения в данном контексте. В определенной степени используемые здесь термины не определены, и специалистам в данной области техники следует их определять так, как это сделано, по меньшей мере, в какой-либо публикации или выпущенном патенте. Кроме того, настоящие методики не ограничиваются использованием данных терминов, поскольку все эквиваленты, синонимы, новые варианты и термины или методики, которые служат той же самой или подобной цели, считаются находящимися в пределах объема притязаний настоящей формулы.

[0046] В данном случае термин "границы" относится к местоположениям изменений в свойствах горных пород под толщей, которые обычно возникают между геологическими формациями. Это соответствует, например, толщине формаций.

[0047] В данном случае термин "заканчивание" скважины включает в себя конструирование, выбор и инсталляцию оборудования и материалов в или вокруг ствола скважины для транспортировки, накачки, возбуждения или управления добычей, или для введения флюидов. После того как скважина закончена, может начинаться добыча флюидов формации.

[0048] В данном случае термин "действие по заканчиванию" может включать в себя, но не ограничивается этим, цементирование (например, цементирование обсадной трубы на месте для зональной изоляции и целостности скважины), перфорирование ствола скважины, возбуждение (включая в себя, но без ограничения, кислотную обработку матрицы, кислотную обработку разрыва, гидравлический разрыв, и разрыв взрывчатым веществом), бурение горизонтальных стволов скважины, бурение боковых стволов скважины и струйное бурение. Кроме того, действие по заканчиванию включает в себя установку эксплуатационного оборудования в ствол скважины, а также управление пескоструйной и водной обработкой. Действие по заканчиванию может включать в себя рассматриваемые здесь методики взрывного разрыва.

[0049] В данном случае термин "койлтюбинговое гидравлическое бурение реактивной струей" является методикой для конструирования скважины, которое включает в себя использование непрерывной, не вращающейся, колонны трубопровода и вращающейся буровой головки или гидравлических реактивных струй для образования скважинных отверстий в формации горной породы.

[0050] В данном случае термин "направленное бурение" является намеренным отклонением ствола скважины от естественно выбираемого пути. Иначе говоря, направленное бурение представляет собой регулирование бурильной колонны так, чтобы она перемещалась в желаемом направлении.

[0051] В данном случае термин "примерный" используется здесь исключительно как означающее "служит примером, отдельным случаем или иллюстрацией". Любой описываемый здесь вариант реализации как "примерный" не должен рассматриваться как предпочтительный или преимущественный над другими вариантами реализации.

[0052] В данном случае термин "средство" относится к материальной части физического оборудования, с помощью которого углеводородные флюиды или добываются из коллектора, или вводятся в коллектор, или оборудования, которое может быть использовано, чтобы управлять операциями добычи или заканчивания. В самом широком смысле термин средство применяется к любому оборудованию, которое может присутствовать вдоль пути потока между коллектором и его расходными отверстиями, которые являются местоположениями, у которых углеводородные флюиды либо покидают модель (добываемые флюиды), или входят в модель (вводимые флюиды). Средства могут содержать эксплуатационные скважины, нагнетательные скважины, трубопроводы скважины, оборудование устья скважины, сборные магистральные трубопроводы, манифольды, насосы, компрессоры, разделители, поверхностные трубопроводы и расходные отверстия. В некоторых случаях термин "поверхностное средство" используется, чтобы отличить эти средства от скважинных устройств. "Сеть средств" представляет собой полный набор средств, которые присутствуют в модели, который может включать в себя все скважинные и поверхностные средства между устьями и расходными отверстиями.

[0053] В данном случае термин "формация" представляет собой любую конечную область под толщей породы. Формация может содержать один или несколько слоев горной породы, содержащих углеводороды, вышележащие или нижележащие породы. "Вышележащие породы" или "нижележащие породы" представляют собой геологический материал, находящийся выше или ниже разрабатываемой формации. Например, вышележащие или нижележащие породы могут включать в себя горную породу, сланец, аргиллит или другие типы осадочных, вулканических или метаморфических горных пород. Формация также включает в себя горячие сухие слои горной породы, полезные для получения геотермической энергии.

[0054] В данном случае термин "разрыв" представляет собой трещину или поверхность разлома в пределах горной породы, не связанную с расслоением или сколом в метаморфической горной породе, вдоль которой происходило минимальное движение. Разрыв, вдоль которого происходило боковое смещение, можно назвать разломом. Когда стенки разрыва перемещались только по нормали друг к другу, разрыв можно назвать соединением. Разрывы могут значительно усилить проницаемость горной породы, соединяя между собой поры, и по этой причине соединения и разломы могут быть произведены механически в некоторых коллекторах, чтобы увеличить течение флюида.

[0055] В данном случае термин "литостатическое давление" (иногда называемое "литостатическое напряжение") представляет собой давление в формации, равное весу на единицу площади массы вышележащей горной породы ("вышележащая порода"). Вертикальное увеличение напряжения формации может составлять приблизительно 1 psi (фунт на квадратный дюйм) для каждого фута глубины. Таким образом, формация, которая составляет 100 футов глубины, может иметь давление флюида до 100 psig прежде, чем произойдет механическое повреждение, связанное с подъемом вышележащей формации.

[0056] В данном случае термин "геологические слои", или "слои", относится к слоям под толщей (например, под толщей Земли), которые расположены между верхними частями геологической формации. Геологический слой может включать в себя горячую сухую формацию горной породы или может представлять собой слои под толщей над горячим сухим слоем горной породы.

[0057] В данном случае термин слой "горячей сухой горной породы" представляет собой слой горной породы, который имеет существенное температурное различие с поверхностью, например, 50°C, 100°C или даже больше. Горячий сухой слой горной породы может быть коренной гранитной горной породой, приблизительно от двух до 20 км или еще больше, ниже поверхности Земли. Тепло в горячем сухом слое горной породы может быть собрано для производства энергии. Несмотря на название, "горячая сухая горная порода" не обязательно лишена воды. Вернее, такие слои горной породы не будут естественно производить существенные количества воды или потоки пара к поверхности без помощи насоса или закачки флюида.

[0058] В данном случае термин "горизонтальный ствол скважины" относится к участку ствола скважины в завершаемой подземной зоне, который по существу горизонтален или находится под углом к горизонтали в пределах приблизительно от 0° и приблизительно до 15°.

[0059] В данном случае термин "гидравлический разрыв" используется для обозначения создания или открытия разрывов, которые простираются от ствола скважины в формацию. Разрывной флюид, обычно вязкий, может быть введен в формацию с достаточным гидравлическим давлением (например, с давлением, большим, чем литостатическое давление формации), чтобы создать и расширить разрывы, открытые, существовавшие ранее, естественные разрывы, или сгладить разломы. В рассматриваемых здесь формациях естественные разрывы и разломы могут быть открыты давлением. Расклинивающий агент может быть использован, чтобы "подпереть" или поддерживать открытыми разрывы после того, как гидравлическое давление было снято. Разрывы могут быть полезными для того, чтобы позволить протекание флюида, например, через плотную сланцевую формацию, или геотермический источник энергии, например горячий сухой слой горной породы, среди прочего.

[0060] В данном случае термин "поглощение" относится к внедрению разрывного флюида в плоскость забоя посредством капиллярного эффекта. Поглощение может привести к снижению проникания пластового флюида поперек плоскости забоя. Например, если разрывной флюид представляет собой водный флюид, поглощение может привести к меньшей транспортировке углеводородов поперек плоскости забоя, приводя к снижению добычи. Снижение транспортировки углеводорода может перевесить любые увеличения области поверхности разрыва, приводя к отсутствию суммарного увеличения добычи или даже к уменьшению добычи после разрыва.

[0061] В данном случае термин "боковой ствол скважины" относится к сегменту скважины, пробуренному из главного ствола скважины в формацию. Боковой ствол скважины не обсажен и, таким образом, любой элемент, вставленный в боковой ствол скважины, потенциально находится в непосредственном контакте с формацией горной породы.

[0062] В данном случае термин "вышележащая порода" относится к отложениям или горным породам, лежащим над формацией, содержащим одну или несколько содержащих углеводороды зон. Термин "напряжение вышележащей породы" относится к нагрузке на единицу площади или напряжению, возникающему от веса отложений и флюидов лежащих над представляющей интерес глубинной областью или точкой. "Напряжение вышележащей породы" представляет собой нагрузку на единицу площади или напряжение, действующее над содержащей углеводород зоной, которая разрабатывается и/или эксплуатируется в соответствии с описанными вариантами реализации. Давление рассмотрено подробно выше в связи с литостатическим давлением.

[0063] В данном случае термин "проницаемость" относится к возможности для горной породы пропускать флюиды через объемы межсоединительных пор горной породы; общепринятая единица измерения - миллидарси. Термин "относительно водопроницаемый" определяется относительно формаций или их участков как средняя проницаемость в 10 миллидарси или более (например, 10 или 100 миллидарси). Термин "относительно низкая проницаемость" определяется относительно формаций или их участков как средняя проницаемость менее чем приблизительно 10 миллидарси.

[0064] В данном случае термин "давление" и "общее давление" являются взаимозаменяемыми и имеют обычное значение, причем давление в замкнутом объеме представляет собой силу, действующую газом на единицу площади на стенки объема. Давление может быть показано как фунты в квадратный дюйм (psi). "Атмосферное давление" относится к локальному давлению воздуха. Локальное атмосферное давление предполагается равным 14,7 psia, т.е. стандартное атмосферное давление на уровне моря. "Абсолютное давление" (psia) относится к сумме атмосферного давления и давления манометра (psig). "Давление манометра" (psig) относится к давлению, измеренному манометром, который указывает только давление, превышающее местное атмосферное давление (то есть, давление манометра 0 psig соответствует абсолютному давлению 14,7 psia).

[0065] В данном случае термин "эксплуатационные флюиды" включают в себя любой материал, который собирается из коллектора или под толщей формации горной породы. Эксплуатационные флюиды могут включать в себя углеводороды, например нефть или газ, собранные из углеводородной формации. Эксплуатационные флюиды также могут включать в себя горячие флюиды, например пар или воду, собираемые из горячей сухой формации горной породы.

[0066] В данном случае термин "коллектор" относится к формации под толщей горной породы, из которого может быть собран буровой флюид. Формация горной породы может включать в себя гранит, кварц, карбонаты, глины и органическое вещество, например нефть, газ или уголь, среди прочего. Коллекторы могут варьироваться по толщине от значения меньше одного фута (0,3048 м) до сотен футов (сотни метров). Проницаемость коллектора предоставляет потенциал для выработки. В данном случае коллектор может также включать в себя горячий сухой слой горной породы, используемый для геотермического производства энергии.

[0067] В данном случае термин "операция по стимулированию" относится к действиям, проводимым на скважинах в формациях для увеличения нормы выработки или объема добычи (например, углеводородов) из формации, среди прочего. Операции по стимулированию также могут быть проведены в нагнетательных скважинах. Один пример операции по стимулированию - операция разрыва, которая обычно включает в себя введение разрывного флюида через ствол скважины в подземную формацию при скорости и давлении, достаточных, чтобы создать или расширить, по меньшей мере, один разрыв в нем, тем самым, производя или увеличивая производительные каналы в формации. Разрывной флюид может ввести расклинивающий агент в эти каналы. Другие примеры операций по стимулированию включают в себя, но без ограничения, разрыв взрывчатым веществом, акустическое возбуждение, кислотную обработку под давлением, кислотную обработку до разрыва формации и обработку химическим сжатием. При взрывной операции по стимулированию разрыва взрывчатое вещество или движущий состав помещается в формацию и воспламеняется. Взрывчатый состав разрывает формацию посредством образования ударной волны от взрыва. Движущий состав возбуждает формацию посредством создания большого объема газа очень высокого давления.

[0068] В данном случае термин "существенный" при его использовании в связи с количеством или величиной материала или конкретной его характеристики относится к величине, которая достаточна для обеспечения эффекта, для которого материал или характеристика были предназначены. Точная степень допустимого отклонения может в некоторых случаях зависеть от конкретного контекста. Аналогично, "по существу свободный от" или подобное относится к отсутствию идентифицированного элемента или агента в составе. В частности, элементы, которые идентифицируются как "по существу свободные от" или полностью отсутствуют в составе, или включены только в количествах, которые достаточно малы, чтобы не иметь никакого измеримого влияния на состав.

[0069] В данном случае термин "толщина" слоя относится к расстоянию между верхней и нижней границами сечения слоя, причем расстояние измеряется по нормали к среднему наклону сечения.

[0070] В данном случае термин "скважина" относится к отверстию в формации под толщей, обычно используемому для разработки флюидов или газов в формации. Скважина может включать в себя единственный ствол скважины или может иметь множественные стволы скважины, которые ветвятся от нее. В данном случае термин многозабойная скважина означает скважину, которая имеет многочисленные боковые стволы скважины, пробуренные из одного или нескольких главных стволов скважины. Скважина может быть любого типа, включая в себя, но без ограничения на производство скважины, опытную скважину, разведочную скважину или подобное.

[0071] В данном случае термин "ствол скважины" относится к отверстию под толщей, выполненному бурением или вставкой трубопровода под поверхность. Ствол скважины может быть пригоночной деталью скважины или в целом быть скважиной. Ствол скважины может иметь по существу круговое сечение или другие формы сечения (например, круги, овалы, квадраты, прямоугольники, треугольники, формы разреза-щели, или другие правильные или неправильные формы). Ствол скважин может быть обсажен, обсажен и цементирован или может быть не обсаженным стволом скважины. Ствол скважины может быть вертикальным, горизонтальным или составлять любой угол между вертикалью и горизонталью (отклоненный ствол скважины), например вертикальный ствол скважины может содержать невертикальную компоненту.

[0072] В данном случае термин "оборудование устья скважины" относится к частям оборудования, установленного вблизи отверстия скважины, например, для регулировки и контроля эксплуатационных флюидов от подземной формации. Оно также предотвращает утечку эксплуатационных флюидов из скважины и предотвращает внезапные прорывы вследствие высокого давления формаций флюидов. Формации, которые создают высокотемпературные флюиды, например перегретую воду или пар, которые находятся под высоким давлением, обычно требуют такого оборудования устья скважины, которое может противостоять большому, действующему вверх, давлению от выходящих газов и флюидов. Это оборудование устья скважины может часто конструироваться так, чтобы противостоять давлениям до 20000 psi (фунты на квадратный дюйм). Оборудование устья скважины состоит из трех компонентов: обсадная головка, обсадная колонна и 'рождественская елка' (фонтанное оборудование). Обсадная головка состоит из прочных фиттингов, которые обеспечивают герметизацию между обсадной трубой и поверхностью. Обсадная головка служит также для поддержания обсадной трубы, которая опускается в ствол скважины. Эта часть оборудования обычно содержит захватывающий механизм, который гарантирует плотную герметизацию между головкой и обсадной трубой.

Общий обзор

[0073] Примерный вариант реализации настоящих методик предоставляет способ для улучшения добычи углеводородного сырья из подземных формаций с использованием взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества стратегически помещаются во множество боковых стволов скважины, пробуренных из одного или нескольких главных стволов скважины так, чтобы взрывные эффекты усиливались и закреплялись между боковыми стволами скважины, тем самым, разрывая большой объем горной породы. Боковые стволы скважины могут быть пробурены из главного ствола скважины посредством различных методик, например койлтюбинговым бурением реактивной струей. Взрывчатые вещества могут быть взяты в виде взрывчатых зарядов на основе бризантного взрывчатого вещества со сминаемой головной частью (HESH) для армейской артиллерии. Заряд со сминаемой головной частью может сосредоточить больше энергии от взрыва в горную породу коллектора, приводя к большему разрыву.

[0074] Заряды со сминаемой головной частью также могут быть сконфигурированы так, чтобы взрываясь, доставить расклинивающий агент в разрывы, сформированные взрывом, сокращая или даже устраняя использование гидравлических флюидов. Сокращение гидравлических флюидов может уменьшить возможность снижения проницаемости вследствие поглощения флюида. Однако методики не ограничиваются устранением гидравлического разрыва, поскольку взрывной разрыв может быть скомбинирован с вторичным гидравлическим разрывом, чтобы дополнительно разорвать горную породу и транспортировать расклинивающий агент в разрывы. Методики могут быть полезными для раскрытия газоносных формаций с малой проницаемостью (например, плотные пески, сланцы), которые требуют возбуждения.

[0075] На Фиг.1 показана схема коллектора в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Схема 100 показывает скважину 102, которая бурится по направлению к коллектору 104 через вышележащую породу 106. У поверхности 108 устьевое оборудование 110 скважины может быть связано со средством 112 для обработки добываемых флюидов, например, просушки и сжатия природного газа до транспортировки газа через трубопровод 114. Настоящие методики не ограничиваются единственной скважиной 102 или назначением для добычи углеводородов и могут быть использованы в других конфигурациях и применениях.

[0076] Например, в примерном варианте реализации раскрытые здесь взрывные методики разрыва могут быть использованы для улучшения добычи нагретых геотермальных флюидов из горячего слоя горной породы. В производстве геотермической энергии могут быть использованы множественные скважины с участком скважин, вводящим флюид для нагрева формации, и с участком скважин, собирающим геотермально нагретые флюиды. Соответственно, плотная сеть разрывов между нагнетательной и эксплуатационными скважинами может улучшить эффективность и увеличить ресурс коллектора.

[0077] Скважина 102 может иметь множественные главные стволы 116 скважины, которые ответвляются от скважины 102, чтобы иссушать другие участки коллектора 104. Обычно, если используется гидравлический разрыв, множественные ветви увеличивают стоимость заканчивания скважины 102 вследствие стоимости фитингов, используемых в точках 118 разветвления. Например, фитинги должны иметь достаточную прочность, чтобы противостоять давлению, используемому для создания сетей разрывов в горной породе гидравлическим разрывом. Таким образом, если используется гидравлический разрыв, то может оказаться более экономичным бурить множество отдельных скважин, которые не имеют ветвлений, чем помещать фитинги высокого давления в разветвленную скважину. Соответственно, методики для создания плотных сетей разрывов, как описывается здесь, могут позволить бурение множественных главных стволов 116 скважины от единственной скважины 102 без необходимости в дорогостоящих соединениях и, таким образом, учитывать истощение большего участка коллектора с единственной скважиной.

Последовательный подрыв во множественных боковых стволах скважины

[0078] На Фиг.2 показан вид сверху коллектора с множественными боковыми стволами скважины, пробуренными от каждого смежного сегмента главного ствола скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Вид сверху 200 показывает многочисленные боковые стволы 202 скважины, которые могут быть пробурены от каждого из главных стволов 116 скважины. Боковые стволы 202 скважины могут быть размещены в параллельную сетку или могут быть расположены под различными углами. Кроме того, боковые стволы 202 скважины могут быть вертикальными относительно главных стволов 116 скважины. В других вариантах реализации главные стволы 116 скважины могут быть вертикальными, а боковые стволы 202 скважины могут быть пробурены по существу с горизонтальной ориентацией. Конфигурация главных стволов 116 скважины и боковых стволов 202 скважины для конкретного коллектора может быть определена с помощью современного геомеханического моделирования или из экспериментов. В примерных вариантах реализации настоящих методик боковые стволы 202 скважины по существу перпендикулярны главному стволу 116 скважины, при любых изгибах, сделанных бурением из главного ствола 116 скважины. Иначе говоря, средняя линия бокового ствола 202 скважины в противоположном конце бокового ствола 202 скважины от главного ствола 116 скважины может быть по существу перпендикулярной главному стволу 116 скважины. В примерном варианте реализации настоящих методик по существу перпендикуляр указывает, что средняя линия бокового ствола 202 скважины, в конце бокового ствола 202 скважины, противоположном главному стволу 116 скважины, находится в пределах конуса приблизительно 30° вокруг перпендикулярной линии, проведенной от главного ствола 116 скважины. Ближе к главному стволу 116 скважины боковой ствол 202 скважины может быть под меньшим углом, в зависимости от методик бурения, используемых для создания бокового ствола 202 скважины.

[0079] Бурение боковых стволов 202 скважины может быть выполнено с использованием любого количества методик, которые могут бурить наружу от главных стволов 116 скважины, включая в себя, например, койлтюбинговое бурение реактивной струей или механическое бурение. После того, как боковые стволы 202 скважины пробурены из главных стволов 116 скважины, в боковые стволы 202 скважины могут быть помещены взрывчатые вещества. После того, как взрывчатые вещества помещены на место, они могут быть взорваны одновременно или в заданной последовательности, которая оптимизирована для местной геологии. Одновременный или последовательный подрыв может создать плотную сеть разрывов 204 между боковым стволами 202 скважины. Разрывы 204, которые соединяются с боковым стволом 202 скважины или между множественными боковыми стволами 202 скважины, могут позволить углеводородам (или другим добываемым флюидам) течь к боковым стволам 202 скважины и в главные стволы 116 скважины для сбора выработки в оборудовании 110 устья скважины.

[0080] На Фиг.3 показан вид 300 сверху одного главного ствола 116 скважины с множеством боковых стволов 202 скважины, иллюстрирующий последовательный подрыв взрывчатых веществ в боковых стволах 202 скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. В этом виде 300 каждый из множества боковых стволов 202 скважины, простирающихся от главного ствола 116 скважины, имеет два заряда 302 взрывчатого вещества. Как показано на этом виде 300, все взрывчатые вещества могут быть подорваны одновременно. Однако методики не ограничиваются этой конфигурацией, поскольку любое число других конфигураций может быть идентифицировано моделированием или экспериментами. Например, хотя показано два взрывчатых заряда на ответвление, может быть использовано любое число зарядов. В некоторых вариантах реализации может быть пять, десять, двадцать, пятьдесят или более взрывчатых зарядов на ответвление. Как обсуждается дополнительно в связи с Фиг.4, одновременный взрыв может вызвать конструктивную и деструктивную интерференцию волн давления. Интерференция волн давления может увеличить эффективность зарядов для разрыва горной породы по сравнению с взрывом отдельных зарядов в каждом из боковых стволов 202 скважины.

[0081] На Фиг.4 показан вид 400 сбоку из Фиг.3, иллюстрирующий множественные ударные волны 402, исходящие от взрывов в боковых стволах 202 скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Ударные волны 402 могут иметь кумулятивное действие в точках 404 пересечения (например, между боковыми стволами 202 скважины), вследствие конструктивной и деструктивной интерференции. Соответственно, множественные ударные волны 402 могут продвинуть разрыв на большее расстояние от бокового ствола 202 скважины, чем отдельный взрыв в пределах единственного бокового ствола 202 скважины.

[0082] Как пример, с использованием заряда динамита в единственной точке в стволе скважины буровая скважина диаметром 10 см может создавать разрывы ~5 метров от места взрыва. Как обсуждается ниже в связи с Фиг.6-9, взрывчатое вещество со сминаемой головной частью может создавать большие размеры разрыва вследствие концентрирования энергии взрыва в направлении от бокового ствола 202 скважины. Взрыв взрывчатого вещества со сминаемой головной частью может создавать разрывы >~30 метров от взрыва. Использование одновременных или спланированных по времени взрывов между боковыми стволами 202 скважины может увеличить эффективную зону разрыва, поскольку фронты ударной волны от отдельных боковых стволов 202 скважины усиливают друг друга. Например, интерференция ударных волн 402 может расширить зону разрыва, созданного взрывом взрывчатого вещества со сминаемой головной частью до >~50 метров от каждого бокового ствола 202 скважины.

[0083] На Фиг.5 показан способ 500 разрыва горной породы в коллекторе в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Способ начинается в блоке 502 с бурения, по меньшей мере, одного главного ствола скважины. В примерном варианте реализации главный ствол скважины включает в себя множество смежных стволов скважины, которые ответвляются от главного ствола скважины, например, чтобы сформировать горизонтальные секции. В блоке 504 множественные боковые стволы скважины пробурены от главного ствола скважины, например, с использованием койлтюбингового бурения реактивной струей. В блоке 506 разрывной заряд помещается в пределах бокового ствола скважины. Взрывчатые вещества могут быть сконфигурированы как взрывчатое вещество со сминаемой головной частью, чтобы увеличить энергию, передаваемую в слои горной породы, как в данном случае. В блоке 508 все взрывчатые вещества в пределах боковых стволов скважины могут быть взорваны одновременно, или взрывчатые вещества могут быть взорваны в определенной последовательности, чтобы получить усиление ударных волн, создавая разрывы в горной породе. В блоке 510 расклинивающий агент может быть транспортирован в разрывы высокоскоростными газами, образованными во время взрыва движущего заряда в разрывах, созданных взрывами.

Взрывчатые вещества со сминаемой головной частью

[0084] Подрыв взрывчатых веществ в стволе скважины передает большое количество энергии в импульсе малой длительности. Короткая длительность импульса способствует преобладанию инициирования трещин в стенке буровой скважины, что может пересилить влияния остаточных тектонических напряжений в формации. Иначе говоря, разрывы могут исходить от точки взрыва в случайных направлениях вместо того, чтобы иметь первичное направление разрыва, контролируемое данными напряжениями, как может произойти при гидравлическом разрыве.

[0085] Однако использование больших обычных или формованных зарядов взрывчатых веществ может перенапрячь слои формации непосредственно у стенки буровой скважины, формируя существенное количество бута. Последствие при этом таково, что чрезмерная энергия расходуется вблизи ствола скважины без полезных результатов. Образующиеся разрывы не простираются глубоко в формацию, окружающую буровую скважину. Адаптация бризантного взрывчатого вещества со сминаемой головной частью из армейской артиллерии для разрыва горной породы может смягчить этот недостаток.

[0086] На Фиг.6 показан схематический вид адаптированного взрывчатого вещества 600 со сминаемой головной частью, который может быть использован в примерных вариантах реализации настоящих методик. Взрывчатое вещество 600 со сминаемой головной частью может быть собрано в контейнере 602. Контейнер 602 может быть выполнен из материала достаточной прочности, чтобы ограничить и направить взрыв в формацию горной породы, например, из стали, других металлов, или высокоэффективных пластмасс, например сульфида полифенилена (PPS). Контейнер 602 может иметь крышку 604 для удержания содержащихся материалов на месте и защиты их от повреждения во время размещения. Крышка 604 не должна быть выполнена из того же самого материала, что и контейнер 602, но может быть выполнена из более слабого материала, например полиэтилена или другой пластмассы, тонкого металлического слоя, или других подходящих материалов, чтобы иметь возможность ее разрушения малой энергией взрыва движущего заряда 606.

[0087] Во время взрыва движущий заряд 606 воспламеняется электрически запускаемым запалом 608, который электрически присоединен к детонатору 610, например, посредством электрической линии 611. Электрическая линия 611 может быть соединена с одной схемой детонации в пределах детонатора 610, тогда как другие заряды (например, движущий заряд) могут быть соединены с другими схемами детонации. Детонация движущего заряда 606 проталкивает массу пластичного взрывчатого вещества 612 с малой скоростью (приблизительно 200-400 футов/секунда). Пластичное взрывчатое вещество 612 проталкивается через крышку 604, деформируясь в диск напротив поверхности формации горной породы, например, в пределах бокового ствола скважины. Запал 614, который внедрен в пластичное взрывчатое вещество 612, воспламеняется ударной волной, поскольку пластичное взрывчатое вещество 612 сплющено, или смято, напротив формации горной породы, провоцируя детонацию пластичного взрывчатого вещества 612. Вследствие большой поверхностной области сплющенного пластичного взрывчатого вещества 612 и непосредственного контакта с формацией горной породы ударные волны большой интенсивности эффективно проникают в формацию горной породы.

[0088] Разрывы, создаваемые от возбуждения коллектора горной породы, могут закрыться, если их не расклинить открытыми. Растрескивание и физический поворот горной породы в формации горной породы, вызванные взрывами, могут действовать для подпорки открытых разрывов. Однако разрывы могут быть более эффективно расклинены до открытия посредством введения твердых частиц, например, используемых при гидравлическом разрыве. Адаптированное взрывчатое вещество 600 со сминаемой головной частью может иметь пакет расклинивающего агента 616 и вторичное взрывчатое вещество 618, расположенное позади движущего заряда 606. После детонации пластичного взрывчатого вещества 612 вторичный заряд 618 может быть инициирован вторичным воспламенителем 620, например, посредством линии 621 продвигающей детонации, для взрывного продвижения расклинивающего агента 616 в разрывы, образованные ударными волнами от детонации сминаемой головной части. Канал 621 движущей детонации может быть соединен с отличающейся от электрического канала 611 схемой детонации. Расклинивающий агент 616 может быть любым инертным материалом, который имеет достаточную жесткость, чтобы противостоять давлениям формации без того, чтобы быть разрушенным, например, песком, стеклянной дробью, керамическими частицами или множеством других материалов.

[0089] Кроме того, расклинивающий агент 616 может включать в себя высокоэнергетический материал 622 для инициирования дополнительного разрыва. Высокоэнергетический материал 622 может быть инициирован, например, спланированным по времени пороховым взрывателем, воспламеняемым вторичным зарядом 618. Использование расклинивающего агента 616, который содержит энергетический материал 622, сконфигурированный для подрыва после его внедрения, может дополнительно разрывать горную породу коллектора. Энергетический материал 622 может не внедряться далеко в разрывы, но может предоставить структурные пустоты вблизи ствола скважины, задерживая закрытие разрывов.

Передача энергии от пластин взрывчатых веществ

[0090] Как рассмотрено выше, взрывчатые вещества со сминаемой головной частью сконструированы так, чтобы расплющить заряд пластичных взрывчатых веществ по отношению к цели, например к стенке горной породы в формации. Поэтому взрывчатые вещества со сминаемой головной частью придают эффект Misznay-Schardin или эффект диска. Тогда как взрыв от обычного округленного взрывного заряда обычно расширяется во всех направлениях, эффект диска заставляет взрывную волну от пластины взрывчатого вещества распространяться вдаль от (или перпендикулярно к) поверхности взрывчатого вещества. Если одна сторона удерживается тяжелым или неподвижным объектом, например контейнером 602, сила взрыва (то есть, большая часть быстро расширяющегося газа и связанной с этим кинетической энергии) будет направлена вдаль от него и в формацию горной породы. Расплющивая пластичное взрывчатое вещество на поверхности стенки горной породы перед детонацией, большая доля полной энергии взрывчатого вещества, по сравнению с обычным взрывом, преобразуется в ударные волны, которые распространяются вдаль от ствола скважины. Взрывные ударные волны, создаваемые вдоль боковых стволов скважины, пересекают и усиливают друг друга, создавая сеть разрывов, которая охватывает большой объем целевой горной породы.

[0091] Плоские взрывные заряды могут произвести более высокую сейсмическую эффективность в формациях, чем обычные заряды, создавая более сложные и структурированные зоны разрыва в горной породе. См. Adushkin, V., Budkov.A., and Kocharyan, G., "Features of forming an explosive fracture zone in a hard rock mass", Journal of Mining Science 43, 273-283 (2007); см. также Saharan, M.R., Mitri, H.S., Jethwa, J.L., "Rock fracturing by explosive energy: review of state-of-the art", Fragblast: International Journal for blasting and Fragmentation 10, 61-81 (2006). Это может быть дополнительно понято при сравнении графиков распределения энергии от взрыва обычных и плоских зарядов взрывчатых веществ в твердой и мягкой горной породе.

[0092] На Фиг.7 показан график 700, иллюстрирующий распределение энергии от взрыва в стволе скважины. На графике 700 ось X 702 отображает объем расширяющихся газов, которые можно рассматривать как отображение энергии от взрыва. Ось Y 704 отображает давление в скважине, которое увеличивается с увеличением глубины ствола скважины. При любом взрыве только доля энергии доступна для разрыва горной породы. Например, как показано на графике 700, энергия ударной волны для инициирования детонации 706 может быть меньше чем приблизительно 5% полной энергии. Для сравнения, энергия ударной волны для создания разрыва 708 может быть меньше, чем приблизительно 25% полной энергии, и энергия ударной волны для распространения 710 разрыва может быть меньше чем приблизительно 40% полной энергии. Таким образом, при обычном взрыве 40-60% химической энергии затрачивается впустую как шум, тепло, свет и другая энергия, как обозначено номером 712. Однако даже меньшее количество энергии оказывается доступным, если увеличивается давление в формации или если уменьшается твердость горной породы, или увеличивается давление формации.

[0093] На Фиг.8A показан график распределения энергии взрыва обычного взрывчатого вещества в слое твердой горной породы. Как показано на Фиг.8A, если давление 704 в скважине формации увеличивается, то больше энергии 806 может быть израсходовано при инициировании взрыва. Это оставляет меньше энергии, доступной для создания разрывов 808 и для распространения разрывов 810. Это может быть результатом более высокого давления формации, который сжимает газы, образованные от взрыва, приводя к меньшему количеству газа для передачи энергии к горной породе. Эффективность взрывов в разрыве горной породы уменьшается в более мягкой горной породе. На Фиг.8B показан график распределения энергии взрыва обычного взрывчатого вещества в слое мягкой горной породы. Как показано на Фиг.8B, в мягкой горной породе энергия, израсходованная при инициировании взрыва 812, может быть дополнительно увеличена по сравнению с твердой горной породой, вследствие диссипации энергии в результате деформации мягкой горной породы. Таким образом, меньше энергии может быть доступно для создания разрывов 814 и для распространения разрывов 816.

[0094] На Фиг.9 показан график распределения энергии плоского слоя взрывчатого вещества в мягком слое горной породы. Хотя количество энергии, израсходованной при инициировании детонации 902, может быть подобно израсходованной энергии во время детонации обычных взрывчатых веществ 812 (Фиг.8B), большее количество энергии может быть израсходовано при создании разрывов 904 в формации горной породы. Несколько меньше энергии расходуется при распространении разрывов 906, чем для взрыва обычных взрывчатых веществ в мягкой горной породе 816. Таким образом, взрыв диска может быть более эффективным, чем обычный взрывчатый заряд при разрыве слоя мягкой горной породы. Соответственно, использование взрывчатых веществ со сминаемой головной частью для поставки зарядов в скважинную конфигурацию, обсуждаемую в связи с Фиг.1-3, может создать большее число разрывов, которые взаимосвязаны между множественными боковыми стволами скважины, вытянутыми от главного ствола скважины. В примерном варианте реализации настоящих методик податливые сланцы, которые плохо реагируют на обычные взрывчатые вещества, могут быть возбуждены для добычи углеводородов.

Инструментальные средства заканчивания скважины, которые могут содержать заряды со сминаемой головной частью

[0095] Чтобы быть эффективными, взрывчатые вещества со сминаемой головной частью должны быть поставлены в боковые стволы скважины с участком, содержащим пластичное взрывчатое вещество, обращенное к поверхности формации горной породы. Многочисленные системы могут использоваться в примерных вариантах реализации настоящих методик, две из которых обсуждаются ниже в связи с Фиг.10-12. Системы поставки, которые могут быть использованы, не ограничиваются этими системами, и специалисты в данной области техники могут идентифицировать любое количество других систем и конфигураций, которые могли бы быть использованы.

[0096] На Фиг.10 показан чертеж инструментального средства 1000, которое поддерживает множество зарядов 1002 со сминаемой головной частью для вставки в боковой ствол скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. В примерном варианте реализации, по меньшей мере, некоторые из зарядов 1002 со сминаемой головной частью имеют конфигурацию, рассмотренную в связи с Фиг.6. В других вариантах реализации некоторые или все заряды могут исключить расклинивающий агент 616 и вторичный заряд 618.

[0097] Инструментальное средство 1000 может иметь раму 1004, которая обычно поддерживает заряды 1002 со сминаемой головной частью как выровненные по линии, причем каждый заряд 1002 со сминаемой головной частью обращен к поверхности забоя горной породы, когда он вставлен в ствол скважины. Рама 1004 может быть сделана из гибкого материала, например каучука или пластмассы, чтобы позволить вставку инструментального средства 1000 в сжатые объемы. В других вариантах реализации рама 1004 может быть сделана из металла и может быть сочленена в различных точках вдоль инструментального средства 1000, например, между каждой группой зарядов, каждой другой группой зарядов, в средней точке или в любых других точках, которые могут быть полезными для вставки инструментального средства 1000 в боковой ствол скважины. Это может быть полезным, если инструментальное средство 1000 содержит многочисленные заряды 1002 со сминаемой головной частью, например, 10 групп из четырех зарядов 1002 со сминаемой головной частью, 20 групп из четырех зарядов 1002 со сминаемой головной частью или более. В других вариантах реализации рама может быть твердой, например, если инструментальное средство 1000 содержит меньше зарядов 1002 со сминаемой головной частью, например семь групп из четырех, пять групп из четырех или две группы из четырех зарядов 1002 со сминаемой головной частью. Число зарядов 1002 со сминаемой головной частью в инструментальном средстве 1000 или в каждой группе не ограничивается этими примерами, поскольку может быть выбрано любое число зарядов в зависимости от характеристик формации, определенных моделированием и данными. Оболочки могут быть ориентированы во множественных направлениях. В показанном на Фиг.10 примерном инструментальном средстве 1000 заряды 1002 со сминаемой головной частью ориентированы с 90°-ми интервалами. Однако может быть использовано любое число других ориентаций для отдельных зарядов 1002 со сминаемой головной частью в зависимости от конфигураций формации и ствола скважины. Электрическая шина 1006 может проходить до центра инструментального средства 1000, чтобы воспламенить взрывчатые вещества 1002 со сминаемой головной частью, как обсуждается дополнительно в связи с Фиг.11.

[0098] На Фиг.11 показан вид спереди инструментального средства 1000 из Фиг.10 в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Детонатор 610 (Фиг.6) каждого заряда 1002 со сминаемой головной частью может быть связан с электрической шиной 1006, которая следует за длиной внутренней области инструмента. Электрическая шина 1006 может быть соединена с оборудованием управления на поверхности, например, посредством кабеля, отслеживающего ствол скважины. В других вариантах реализации кабель к поверхности может быть исключен, как обсуждается в связи с Фиг.12.

[0099] На Фиг.12 показана схема другого инструментального средства 1200, которое может быть использовано, чтобы поместить взрывчатые вещества в боковой ствол скважины, в соответствии с примерным вариантом реализации настоящих методик. Инструментальное средство 1200 может иметь кожух 1202, имеющий округленный носовой обтекатель 1204. Эта форма может позволить более простую вставку инструментального средства 1200 в боковой ствол скважины. Например, флюид, переносящий множество инструментальных средств 1200, может течь в ствол скважины, что может привести к переносу инструментальных средств 1200 в боковой ствол скважины. Каждое инструментальное средство 1200 может содержать один или несколько зарядов 600 со сминаемой головной частью, как обсуждается в связи с Фиг.6. В других вариантах реализации конфигурация взрывчатых веществ может исключить расклинивающий агент 616 и вторичный заряд 618. Хотя два взрывчатых вещества 600 со сминаемой головной частью показаны в инструментальном средстве 1200, любое число зарядов может быть включено в зависимости от характеристик потока, желаемых для инструментального средства 1200. Детонатор 610 каждого из зарядов 600 со сминаемой головной частью может быть связан с блоком 1206 управления, например, посредством внутренней электрической шины 1208.

[0100] Блок 1206 управления может быть связан с поверхностью кабелем, но кабель может не использоваться в некоторых вариантах реализации. Например, в примерном варианте реализации кабель исключен в пользу беспроводной конфигурации. В этой конфигурации блок 1210 питания, например аккумуляторная батарея, может быть включен для питания блока 1206 управления. Приемник 1212 может быть включен в инструментальное средство 1200 и связан с блоком 1206 управления, чтобы предоставить на блок 1206 управления сигнал для инициализации последовательности детонации. Приемник 1212 может включать в себя, например, детектор импульса, ультразвуковой детектор или звуковой детектор, среди прочего. Таким образом, детонация может быть инициализирована сигналом управления, который может быть последовательностью волн давления, переносящих вниз столб флюида от поверхности.

[0101] Хотя настоящие методики допускают различные модификации и альтернативные формы, рассмотренные выше примерные варианты реализации показаны только для примера. Однако следует понимать, что методики не должны быть ограниченными раскрытыми здесь конкретными вариантами реализации. Действительно, настоящие методики включают в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты, находящиеся в пределах истинной сущности и объема притязаний приложенной формулы.

Предоставляются способы и система разрыва горной породы в формации для улучшения добычи флюидов из формации. В одном способе одна или несколько скважин пробурены в коллектор, причем каждая скважина содержит главный ствол скважины с двумя или несколькими боковыми стволами скважины, пробуренными из главного ствола скважины. Один или несколько взрывчатых зарядов помещаются в пределах каждого из двух или нескольких боковых стволов скважины, и взрывные заряды подрываются, чтобы создать импульсы давления, которые, по меньшей мере, частично разрывают горную породу между двумя или несколькими боковыми стволами скважины. Взрывы планируются по времени так, что один или несколько импульсов давления, исходящих от различных боковых стволов скважины, взаимодействуют между собой. Технический результат заключается в повышении эффективности разрыва коллектора. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Система для взрывного разрыва коллектора, содержащая:
заряд со сминаемой головной частью; и
раму, сконфигурированную для ориентации заряда со сминаемой головной частью к плоскости забоя горной породы в стволе скважины в коллекторе;
внутреннюю электрическую шину, связанную с зарядом со сминаемой головной частью, причем внутренняя электрическая шина сконфигурирована так, чтобы переносить сигнал воспламенения на инициирующий заряд, чтобы подорвать заряд со сминаемой головной частью;
контроллер, связанный с внутренней электрической шиной; и
кабель, соединяющий контроллер с поверхностью через ствол скважины, причем кабель сконфигурирован для передачи сигнала на контроллер для инициирования сигнала воспламенения.

2. Система по п.1, содержащая:
приемник, связанный с контроллером; причем приемник сконфигурирован так, чтобы регистрировать импульс сигнала для инициирования сигнала воспламенения от контроллера.

3. Система по п.2, содержащая портативный источник питания, связанный с контроллером и приемником.

4. Система по п.1, содержащая движущий заряд, который проталкивает расклинивающий агент в разрывы, произведенные в плоскости забоя горной породы подрывом заряда со сминаемой головной частью.

5. Система по п.4, причем расклинивающий агент содержит песок, стеклянную дробь, частицы керамики или любые комбинации этого.

6. Система по п.4, причем расклинивающий агент содержит энергетический материал, который сконфигурирован для детонации в разрывах.

7. Система по п.1, причем рама содержит кожух, сконфигурированный так, чтобы иметь возможность переместить потоком флюида заряд со сминаемой головной частью в ствол скважины.

8. Система по п.1, причем ствол скважины содержит боковой ствол скважины, пробуренный из главного ствола скважины.

9. Способ разрыва горной породы в коллекторе, содержащий:
бурение одной или нескольких скважин в коллектор, причем, по меньшей мере, одна из скважин содержит главный ствол скважины с двумя или несколькими боковыми стволами скважины, пробуренными из главного ствола скважины, причем средняя линия в конце каждого бокового ствола скважины, который противостоит главному стволу скважины, находится в пределах конуса приблизительно в 30° относительно перпендикуляра к главному стволу скважины;
размещение одного или нескольких зарядов взрывчатых веществ в пределах каждого из двух или нескольких боковых стволов скважины; и
детонацию зарядов взрывчатого вещества для создания импульсов давления, которые, по меньшей мере, частично разрывают горную породу между двумя или несколькими боковыми стволами скважины, где детонации спланированы по времени так, что один или несколько импульсов давления, происходящих от различных боковых стволов скважин, взаимодействуют между собой;
бурение множества главных стволов скважин, ветвящихся от, по меньшей мере, одной из скважин, причем множество главных стволов скважины по существу параллельны друг другу и каждое множество главных стволов скважины связано с множеством боковых стволов скважины.

10. Способ по п.9, дополнительно содержащий бурение бокового ствола скважины с использованием механических буров.

11. Способ по п.9, дополнительно содержащий бурение бокового ствола скважины с использованием водометных струй.

12. Способ по п.9, дополнительно содержащий по существу одновременную детонацию зарядов взрывчатого вещества.

13. Способ по п.9, дополнительно содержащий помещение расклинивающего агента с использованием гидравлических методик разрыва в разрывах, произведенных импульсами давления.

14. Способ по п.9, причем главный ствол скважины по существу параллелен направлению минимального горизонтального напряжения в формации горной породы.

15. Способ по п.9, причем главный ствол скважины по существу перпендикулярен направлению минимального горизонтального напряжения в формации горной породы.

16. Способ по п.9, причем боковые стволы скважины пробурены вне главного ствола скважины так, что три или несколько из боковых стволов скважин по существу формируют плоскость.

17. Способ по п.16, причем плоскость по существу горизонтальна.

18. Способ по п.16, причем плоскость по существу вертикальна.

19. Способ по п.9, причем взрывные заряды содержат взрывчатое вещество со сминаемой головной частью.

20. Способ по п.9, дополнительно содержащий детонацию зарядов взрывчатого вещества в последовательности, которая была оптимизирована на основании компьютерного моделирования импульсов давления и прочности и распределения узлов максимальной конструктивной интерференции.

21. Способ по п.9, содержащий помещение зарядов взрывчатого вещества в боковой ствол скважины течением флюида, переносящего заряды в боковой ствол скважины.

22. Способ сбора эксплуатационных буровых флюидов из формации под толщей горной породы, содержащий:
бурение скважины в формацию, причем скважина содержит главный ствол скважины;
бурение двух или нескольких боковых стволов скважин от главного ствола скважины, причем каждый из боковых стволов скважин по существу перпендикулярен главному стволу скважины;
помещение инструментального средства, несущего заряд со сминаемой головной частью, в каждый из боковых стволов скважин;
детонацию заряда со сминаемой головной частью в установленной временной последовательности, сконфигурированной так, чтобы позволить ударной волне от заряда со сминаемой головной частью взаимодействовать со второй ударной волной от детонации другого заряда со сминаемой головной частью; и
выделение эксплуатационных буровых флюидов из формации под толщей горной породы, взрыв движущего заряда, сконфигурированного для проталкивания расклинивающего агента в разрывы, созданные взрывом заряда со сминаемой головной частью.