СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА И СПОСОБ ЕЁ РАБОТЫ
DIAGNOSIS SYSTEM FOR HYDRAULIC FRACTURING PROCESSES AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к нефтедобыче и может быть применено к скважинному мониторингу, с использованием комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии, для диагностики процессов гидравлического разрыва пласта (далее - ГРП) во время сооружения эксплуатационных скважин, таких как нефтяные и газовые скважины.
В патенте США № 7100688, «Fracture monitoring using pressure-frequency analysis» предложено использовать изменения, происходящие в стволе скважины в процессе ГРП, которые могут создавать или отражать сигналы давления. Выделение и обработка таких волн давления в процессе ГРП позволяет специалистам проводить мониторинг процессов, происходящих в скважине в реальном времени или после проведения работ. Разрастание трещины ГРП вызывает всплеск акустического шума, который наряду с другими источниками шума превращается в волну давления (или сигнал). Путем трансформации сигналов давления из временной в частотную область, можно проводить мониторинг этого акустического шума. В настоящем раскрытии был использован водопадный график частотного спектра, полученный для следующих друг за другом участков исходного сигнала для определения частотных пиков, таких как пики уменьшения частот, показывающих рост длины трещины и пиков увеличения частот (означающих или закрытие трещины или ее заполнение проппантом). Это решение основано на непрерывном мониторинге спектра сигнала.
В патенте США № 8838427, «Method for determining the closure pressure of a hydraulic fracture» предложен способ, относящийся к области ГРП подземных залежей. В соответствии с этим способом создается математическая модель, описывающая распространение пульса давления внутри скважины и внутри трещины. Пульсы давления отправляются в скважину и регистрируется отклик от трещины. Затем, определяется давление на забое, соответствующее каждому из пульсов. Средняя ширина трещины получается с помощью математического моделирования распространения волны внутри скважины и внутри трещины. Определяется отношение между средней шириной трещины и полученным давлением на забое. Это отношение экстраполируется на точку нулевой ширины, а давление смыкания трещины определяется как давление на забое, соответствующее нулевой ширине. Однако в настоящем раскрытии осцилляции возбуждаются искусственно (генератор пульсов давления), а не используются естественные осцилляции от работающего оборудования. Выделение осцилляций не раскрыто.
В патенте США № 7313481, «Methods and devices for analyzing and controlling the propagation of waves in a borehole generated by water hammer» предложен способ моделирования волн от гидроударов в стволе скважине используется для оценки параметров, таких как пористость и проницаемость и для разработки элементов заканчивания скважины. Способ моделирования использует модель, включающую несколько слоев, по крайней мере один из которых включает радиальное напластование. Полученные из анализа гидроудара данные используются для разработки месторождения. Однако, в настоящем раскрытии осцилляции возбуждаются искусственно (событие остановки или запуска насоса вызывает событие, известное как «гидроудар»), а не используются естественные осцилляции. Выделение осцилляций не заявлено.
В патенте США № 5170378A, «Hydraulic impedance test method» предложен способ определения высоты и длины трещины в скважине. Он включает возбуждение волн давления в скважине. Импульс давления проходит по стволу скважины и регистрируются отражение импульса давления от основания и от конца трещин ГРП. Эти отражения представлены как флуктуации давления от времени. При этом создается теоретическая модель скважины с трещиной, где гидравлический импеданс является параметром. Подстройка параметра импеданса к модели дает расстояние от основания до конца трещины. Способ зависим от качества построенной одномерной модели импеданса.
В патенте № RU 2709853 C1, «Способ и система для обнаружения в скважине объектов, отражающих гидравлический сигнал» представлен малозатратный метод мониторинга скважинных операций, таких как ГРП, как в реальном времени, так и путем последующего анализа данных, основанный на кепстральном анализе данных давления в скважине, записанных на ее устье. В соответствии с заявленным способом автоматического метода мониторинга скважинных операций, обеспечивают скважину, в которой проводится скважинная операция, источник трубных волн, возбуждающий исходный сигнал, и датчик, регистрирующий осцилляции давления, содержащие исходный и отраженный сигналы, проводят обработку полученного гидравлического сигнала и формируют кепстрограмму давления, используя которую определяют наличие в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, определяют глубину и его тип. В соответствии с настоящим раскрытием, предлагается применять кепстральный анализ к сверточному уравнению, что позволяет оценить времена прихода волн и знаки амплитудных коэффициентов в импульсной характеристике скважины не прибегая к определению неизвестного исходного сигнала источника, выделение которого из записи осцилляций давления в скважине является трудоемкой или неосуществимой процедурой.
В патенте RU 2363936 C1, «Способ вибродиагностики объектов» описан  способ вибрационной диагностики объектов который может быть использован для оценки технического состояния машин и механизмов. Способ вибродиагностики технического состояния объекта, заключающийся в том, что в информативной точке измеряют вибрацию диагностируемого объекта, получают кепстр вибрации во временной области, оценивают амплитуды и квефренции информативных компонент кепстра, соответствующих дефектам объекта.
Вследствие этого задачей одного аспекта настоящего изобретения является устранение или, по меньшей мере, уменьшение вышеупомянутых недостатков устройств и способов для диагностики процессов гидравлического разрыва пласта, известных в данной области техники.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности способа и надежность системы мониторинга скважинных операций при одновременном повышении достоверности диагностики состояния объекта отражения. Настоящее изобретение обеспечивает упрощенную и недорогую систему диагностики процессов гидроразрыва пласта методом комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии.
Технический результат достигается за счёт системы диагностики процессов гидроразрыва пласта, которая состоит из обсадной колонны, расположенной внутри пласта, в осевом направлении внутри обсадной колонны расположена колонна секций скважинных эксплуатационных труб, каждая из которых соединена соединительной муфтой, герметизация пространства между обсадной колонной и эксплуатационными трубами обеспечивается герметизирующим устройством, на колонне секций скважинных эксплуатационных труб расположен контейнер, в котором размещён забойный датчик давления, соединенный с устьем скважины при помощи кабеля, на поверхности расположено устье скважины, к которому подключена приемная станция с датчиком поверхностного давления, акселерометром и декодер, при этом измерительный комплекс включает в себя  одноканальный аналого-цифровой преобразователь и блок компьютерной обработки.
Одноканальный аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью оцифровки усиленного выходного сигнала из первого каскада усиления.
Блок компьютерной обработки выполнен с возможностью обработки оцифрованного выходного сигнала из аналого-цифрового преобразователя так, чтобы генерировать наборы данных частотных спектров мощности, и внутреннюю память, обеспечивающую возможность сохранения одного или более наборов данных частотных спектров мощности, формируемых обработкой сигнала из блока компьютерной обработки.
Способ работы системы диагностики процессов гидроразрыва пласта, в котором используют комбинирование отраженных волн и вибрационную шумометрию, при этом выполняется гидроразрыв пласта в скважине, регистрация вибрации, создаваемая в ходе операции гидроразрыва, регистрация волн, отраженных от гидроразрывов, в режиме реального времени и анализ местоположения вибрационных событий и отражений волн от гидроразрывов.
Вибрационную активность регистрируют акселерометром, расположенным на устье скважины.
Для калибровки сверточной модели зарегистрированной записи осцилляций давления в скважине используют кепстральное представление энергии виброакустического сигнала, зафиксированного акселерометром.
Определяют источник прекращения вибрационной активности по одновременному изменению полярности пиков отраженных волн, по увеличению давления гидроразрыва и затуханию вибрационной активности.
Вибродиагностика оценивает техническое состояния объекта отражающего волны, путем измерения вибрации в информативной точке диагностируемого объекта, получение кепстра вибрации, оценку амплитуды и квефренции информативных компонент кепстра, соответствующих дефектов объекта диагностики
Регистрация волн, отраженных от гидроразрывов, в режиме реального времени, дополнительно фиксируется забойным датчиком давления, обеспечивая точность измерений смещая место измерения сигнала к месту регистрации события.
В качестве вибрационной активности, возникающей вдоль определенного сечения ствола скважины с установленными в перфорационных отверстиях уплотняющими шариками, определяют дефект установки уплотняющих шариков, если сигнал отраженных волн присутствует.
Аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения следующего подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает принципиальную схему системы диагностики процессов гидроразрыва пласта (ГРП) методом комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии в скважинной конструкции, с помощью которой возможно осуществление заявляемого способа.
Фиг. 2 изображает структурную схему в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 изображает вибрационную кривую.
Фиг. 4 изображает рефлектограмму давления.
Фиг. 5а изображает выявление неуспешной перфорации во время проведения многостадийного ГРП.
Фиг. 5б изображает выявление успешной перфорации во время проведения многостадийного ГРП.
В дальнейшем описании подобные элементы отмечены определениями и фигурами 1-5б. Фигуры 1-5б выполнены с необязательным масштабированием и пропорции определенных частей были увеличены для лучшей иллюстрации деталей и особенностей вариантов осуществления настоящего изобретения.
Система диагностики процессов гидроразрыва пласта 34, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, теперь будет описан с ссылками на Фиг.1 и Фиг.2. В частности, Фиг.1 представляет собой общий вид системы диагностики процессов гидроразрыва пласта методом комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии в скважинной конструкции, в то время как Фиг.2 представляет собой структурную схему осуществления предлагаемого устройства 10.
Диаграммы, поясняющие принцип действия устройства, показаны на Фиг. 3, 4, 5а и 5б.
Конструкция системы диагностики процессов гидроразрыва пласта 34 образована обсадной колонной 1, расположенной внутри пласта 2. В осевом направлении внутри обсадной колонны 1 расположена колонна секций скважинных эксплуатационных труб 3, обычно имеющих длину около 9 метров, каждая из которых соединена соединительной муфтой 4. Герметизация пространства между обсадной колонной 1 и эксплуатационными трубами 3 обеспечивается герметизирующим устройством 5, что обеспечивает единую замкнутую систему, объединяющую трещину ГРП 6 и колонну секций скважинных эксплуатационных труб 3. На колонне секций скважинных эксплуатационных труб 3 в непосредственной близости с герметизирующим устройством 5 расположин контейнер 31, который размещает забойный датчик давления 32, соединенный с устьем скважины 7 при помощи кабеля 33. На поверхности расположено устье скважины 7, к которому подключена приемная станция с датчиком поверхностного давления 9 для фиксации отраженных волн, акселерометром 8 для фиксации вибрационной шумометрии, и Комплекс измерительный 10, который включает в себя декодер. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает упрощенную и недорогую систему диагностики процессов гидроразрыва пласта 34 методом комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии.
Комплекс измерительный 10 может быть рассмотрен как содержащий датчик импульса давления поверхностного 9 и забойного 32, и акселерометр 8, каскад 13 усиления, одноканальный аналого-цифровой преобразователь 14, блок компьютерной обработки 15, имеющий внешний компьютерный интерфейс 16 и внутреннюю память 17.
В настоящем описанном варианте осуществления акселерометр 8 содержит пьезоэлектрический преобразователь 11. Такие вибрационные детекторы известны специалистам в данной области техники и могут быть выбраны из множества вариантов исполнения. Акселерометр выполнен в отдельном корпусе 12 и крепится к устью скважины 7 магнитным держателем 18. Пьезоэлектрический преобразователь в настоящем описанном варианте осуществления имеет номинальный диапазон частот преобразования средних квадратических значений виброскорости в постоянный ток датчика от 10 до 1000 Гц.
Каскад усиления 13 используется для усиления электрического выходного сигнала 24 из акселерометра 8 с коэффициентом 100000. Как видно на Фиг.2, выходной сигнал 25 каскада усиления 13 и выходной сигнал из датчика давления поверхностного 19 и забойного 36 преобразовываются в цифровые сигналы 26, 20 и 37 12-битным аналого-цифровым преобразователем 14. В настоящем описанном варианте осуществления это достигается путем дискретизации на 1024 измеренных отсчета на частоте дискретизации 200 Гц, которая в начальной стадии может храниться в кэш-памяти 14а цифрового преобразователя 14.
Обработка цифровых сигналов 26, 20 и 37 затем выполняется в блоке 15 компьютерной обработки. В частности, блок 15 компьютерной обработки может обеспечить быстрое преобразование Фурье (далее - БПФ) для цифрового сигнала 26 и кепстральный анализ для цифровых сигналов 20 и 37 для получения сигналов 27 данных частотного спектра мощности из вибрационного шума, детектированного акселерометра 8, 21 и 38 кепстрограмму давлений, детектированных датчиками давления поверхностного 9 и забойного 32. Сигнал 27, 21 и 38 данных частотного спектра мощности и кепстограммы давлений затем сохраняется как 1024 дискретных частотных канала в энергонезависимой внутренней памяти 17, размером 1 Гб.
В настоящем варианте осуществления комплекс измерительный 10 эффективно замеряет выборки длиной 5 мс каждую секунду. Использование кэш-памяти 4а в сочетании с внутренней памятью 17 обеспечивает возможность достижения таких высоких частот дискретизации для датчик импульса давления поверхностного 9, забойного 32 и акселерометр 8. Так, Комплекс измерительный 10 устанавливается вблизи буровой скважины, для которой выполнялась дискретизация вибрационного шума и давлений, при этом все данные частотных спектров мощности могут быть загружены, соответственно, через компьютерный интерфейс 16 блока 15 компьютерной обработки. Вышеописанный Комплекс измерительный 10 имеет длину 300 мм, ширину 200мм, высоту 400 мм и вес 2 кг. Напряжение питания 220В, частота переменного тока 50Гц, Напряжение входного сигнала 24В, ток входного сигнала 4-20мА. Специалист в данной области понимает, что эти рабочие параметры могут изменяться между альтернативными вариантами осуществления спектрального шумомера.
Способ работы системы диагностики процессов гидроразрыва пласта.
Пояснение общих принципов действия мониторинга процессов ГРП с использованием комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии в скважине с использованием системы диагностики процессов гидроразрыва пласта 34 теперь будут описаны со ссылками на фиг.1. Как можно увидеть, комплекс измерительный 10, включающий в себя одноканальный аналого-цифровой преобразователь 14, блок компьютерной обработки 15, имеющий внешний компьютерный интерфейс 16 и внутреннюю память 17, расположен в непосредственной близости с устьем 7 скважины, которая проходит сквозь толщу пород 2. Устье скважины 7 имеет гидравлическю связь по текучей среде с трещиной ГРП 6. Положение акселерометра 8 на устье скважины 7 регулируется кабелем 22, который соединяет акселерометр 8 и комплекс измерительный 10. Акселерометр 8 в свою очередь фиксируется на устье скважины 7 при помощи магнитного соединителя 18. Положение датчика давления поверхностного 9 на устье скважины 7 регулируется кабелем 23, который соединяет датчик поверхностного давления 9 и комплекс измерительный 10. Датчик поверхностного давления 9 в свою очередь устанавливается в линии высокого давления 28, соединяющую устье скважины 7 и источник гидравлического сигнала, при помощи гайки высокого давления 29. Контейнер 31 установленн на колонне секций скважинных эксплуатационных труб 3, и содержит датчик забойного давления 32, сигнал с которого передается на устье скважины 7 при помощи кабеля 33, а на поверхности присоединяется к комплексу измерительному 10 кабелем 30. Показатели акселерометра 8, датчика давления поверхностного 9 и забойного 32 записываются на поверхности в комплексе измерительном 10.
Способ обеспечивает достоверное подтверждение процессов гидроразрыва пласта, путем фильтрации, идентификации и интерпретации соответствующих данных о вибрационном шуме в скважине при помощи комплекса измерительного 10, в режиме реального времени, включает в себя обнаружение в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал в котором: гидравлическое сообщение системы скважина-трещина ГРП обеспечивает скважина 7, заполненная жидкой средой по колонне секций скважинных эксплуатационных труб 3, обеспечивающей прохождение гидравлического сигнала; обеспечивает источник гидравлического сигнала, имеющий связь по текучей среде со скважиной 7 по линии высокого давления 28, предназначенный для генерирования гидравлического сигнала, акселерометр 8, датчик давления поверхностного 9 и забойного 32, предназначенный для регистрации вибрационного и гидравлического сигнала и имеющий связь по текучей среде со скважиной и, по меньшей мере, с одним источником гидравлического сигнала. Комплекс измерительный 10 осуществляет регистрацию вибрационного сигнала с помощью акселерометра 8 и гидравлического сигнала с помощью датчика давления поверхностного 9 и забойного 32 и формируют вибрационную кривую Фиг.3 с рефлектограммой давления Фиг.4, выявляя характерные сигналы для каждого этапа, учавствующего в процессе ГРП Фиг.5а, Фиг.5б. Затем обнаруживает в скважине объект, отражающий гидравлический сигнал, анализируя его происхождения по характерному вибрационному шуму по кепстру вибрации во временной области, оценивая амплитуды и квефренции информативных компонент кепстра, соответствующих дефектам объекта отражения трубной волны.
Следуя вышеописанному процессу, можно идентифицировать данные частотных спектров мощности, записанных в каждый период записи. Поверхностный блок 15 компьютерной обработки затем используется для выполнения обработки данных частотного спектра мощности путем выполнения методов числового усреднения по наборам данных для обеспечения надежного частотного спектра мощности, отражающую эту глубину. Методы числового усреднения содержат вейвлет-фильтрацию для обеспечения возможности проверки статистической значимости деталей в данных частотного спектра мощности. В частности, спектральная плотность шума, представленная в временно-частотной плоскости, подвергается вейвлет-преобразованию. Множество последовательных отсчетов шумовых сигналов для каждой точки дает возможность определения средних величин вейвлет-коэффициентов и их характерный разброс. Дополнительный анализ может, вследствие этого, исключить статистически незначительные детали в спектре сигнала и отчетливо различить фоновые составляющие, которые присутствуют в широком диапазоне глубин (например, шум, сгенерированный потоком в стволе скважины или действием насоса).
Без вейвлет-фильтрации методы числового усреднения могут быть неспособны отделять случайные выбросы, происходящие от значительных шумов флюида в стволе скважины от шумов, издаваемых интересуемыми источниками.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, другое числовое усреднение и способы фильтрации могут быть использованы для обработки данных частотного спектра мощности. Эти способы включают в себя, например, энтропийное усреднение, порядковые статистики и методы медианной фильтрации.
После этого усредненные данные используются для дальнейшего анализа, описанного далее. Способ вибродиагностики, заключаеся в том, что из усредненных данных получается спектр сигнала, логарифмируется спектр, получается спектр логарифмированного спектра, т.е. кепстр, выделяются амплитуды дискретных составляющих кепстра.
Преимущетво кепстрального метода заключается в том, что энергия виброакустического сигнала, рассеянная по множеству гармоник в спектральном представлении, локализуется в одной составляющей в кепстральном представлении сигнала. При этом кепстры относительно не чувствительны к изменениям пути передачи колебаний (пути между вибродатчиком и источником колебаний).
Поставленная цель в способе вибродиагностики, включающем измерение вибрации в информативной точке диагностируемого объекта, получение кепстра вибрации, оценку амплитуды и квефренции информативных компонент кепстра, соответствующих дефектам объекта диагностики, достигается тем, что кепстр вибрации строят в частотной области, линеаризуют шаг расположения информативных составляющих путем нелинейного преобразования масштаба частот, определяют частоты существенных дефектов по величине существенных кепстральных компонент, по которым оценивают состояние объекта, при этом кепстр строят по следующей формуле:
кепстральная компонента вибросигнала  где аргументом служит квефренция (время);
модифицированная кепстральная компонента вибросигнала где аргументом служит  частота кепстральной компоненты в нелинейном масштабе
оператор нелинейного преобразования;
τ - квефренция кепстральной компоненты;
минимальные значение квефренции, определяемое максимальной частотой диагностируемого дефекта;
максимальное значение квефренции, определяемое минимальной частотой диагностируемого дефекта;
минимальное значение частоты, определяемое минимальной частотой диагностируемого дефекта;
максимальное значение частоты, определяемое максимальной частотой диагностируемого дефекта.
Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния объекта решается также тем, что логарифмирование шкалы частот производят по формуле:
кепстральная компонента вибросигнала  где аргументом служит квефренция (время);
модифицированная кепстральная компонента вибросигнала где
аргументом служит  - частота в логарифмическом масштабе
Способ диагностики процессов гидроразрыва пласта методом комбинирования отраженных волн и вибрационной шумометрии, по которому выполняют:
- гидроразрыв пласта в скважине;
- регистрацию вибрационной активности, создаваемой в ходе операции ГРП, в режиме реального времени;
- регистрацию отраженных от гидроразрыва пласта волн, в режиме реального времени;
- анализ вибрационных событий и отражений волн от гидроразрыва.
Способ диагностики процессов ГРП основан на непрерывном отслеживании, записывании, фильтрации и интерпретации вибрационного шума в режиме реального времени. Анализ вибрационной кривой с рефлектограммой давления на поверхности позволяет проводить корреляцию значительных событий в скважине в режиме реального времени.