СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА И ЕЕ ГЕОМЕТРИИ
METHOD TO CONTROLL CRACK DEVELOPMENT HYDRAULIC FRACTURING AND IT'S GEOMETRY

Изобретение относится к способам контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, в частности, посредством измерения электромагнитного или акустического поля, излучаемого на конце и краях трещины. Изобретение может найти применение на нефтяных и газовых месторождениях, а также в угольной промышленности.
Гидроразрыв пласта - это хорошо известный способ интенсификации добычи углеводородов из скважины путем увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин. Кроме того, гидроразрыв используется для повышения производительности коллекторов воды или пара или в качестве метода предварительной подготовки породы (расщепление пласта на большие куски), например, в угольной промышленности.
В ходе операции по гидроразрыву пласта вода или высоковязкая жидкость (называемая также жидкостью гидроразрыва), несущая расклинивающий наполнитель (пропант), закачивается в пласт с целью создания трещины в продуктивном интервале и заполнения трещины пропантом. Для эффективного использования трещина должна располагаться внутри продуктивного интервала и не выходить в прилегающие слои, а также иметь достаточные длину и ширину. Таким образом, контроль за развитием и размерами трещины является важным этапом обеспечения оптимизации процесса гидроразрыва.
В настоящее время геометрию образовавшихся трещин определяют, применяя различные технологии и методики. Наиболее широко известны способы (так называемая визуализация гидроразрыва), обеспечивающие оценку пространственной ориентации трещины и ее длины во время операций по гидроразрыву и опирающиеся главным образом на локализацию сейсмических явлений с использованием пассивной акустической эмиссии. Другие способы основаны на измерении наклономерами незначительной деформации почвы либо с поверхности, либо из ствола скважины. Еще один метод представляет собой метод кривых восстановления давления, заключающийся в анализе кривых падения давления во время добычи.
Все эти способы достаточно дорогостоящи из-за необходимости надлежащего размещения датчиков в заданном месте с учетом соответствующей механической сцепки между пластом и измерительными приборами. Другие способы дают приблизительную оценку высоты трещины около скважины, основываясь либо на колебаниях температуры, либо на данных, полученных с помощью изотопных индикаторов (меченых атомов). Обзор вышеуказаннных способов визуализации представлен, например, в публикации Barree R.D., Fisher М.К. и Woodroof R.A. (2002) A practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies, материал SPE paper 77442, представленный на Ежегодной технической конференции и выставке в Сан-Антонио, штат Техас, 29 сентября - 2 октября 2002 г.
Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, описанный в патенте США №6330914 и предусматривающий использование по меньшей мере одной скважины, нагнетание в ствол скважины проводящей жидкости гидроразрыва под давлением, позволяющим упомянутой жидкости создать трещину вокруг скважины и проникнуть в нее и далее через поверхности трещины в зону фильтрации в пласте вокруг трещины, приложение электрического напряжения к жидкости гидроразрыва, последующее измерение параметров наведенного электромагнитного поля, по изменению которых судят о развитии и геометрии трещины.
Данный способ имеет ряд очевидных недостатков. Прежде всего, использование электрических сигналов частотой 100 Гц при малой амплитуде влечет за собой искусственное понижение отношения сигнал-шум при амплитудных измерениях, что сказывается на точности измерений. Кроме того, описанный способ может быть применен только в отношении неглубоких скважин, а предлагаемый способ обработки полученных результатов измерений для оценки геометрии трещины достаточно сложен.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании эффективного способа контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, обеспечивающего высокую точность и при этом являющегося достаточно простым. Способ предусматривает нагнетание в ствол скважины проводящей жидкости гидроразрыва под давлением, позволяющим упомянутой жидкости создать трещину в пласте и проникнуть в нее и далее через поверхности трещины в зону фильтрации в пласте вокруг трещины, в процессе гидроразрыва приложение серии импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва, последующее измерение параметров электромагнитного поля и/или акустических сигналов, возникающих в результате приложения импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва, на стадии, соответствующей окончанию зарядки жидкости гидроразрыва, и определение координат наконечника трещины.
Импульсы напряжения к жидкости гидроразрыва прикладывают между двумя электродами, один из которых находится в контакте с жидкостью гидроразрыва (или обсадной колонной), другой заземлен на расстоянии, достаточном, чтобы избежать быстрой разрядки системы "жидкость гидроразрыва-заземленный электрод" за счет возникновения тока проводимости существенной величины между жидкостью и электродом в первые моменты времени после поступления импульса напряжения от скважины. В промежутке времени, когда зарядка системы «заземленный электрод-скважина+трещина гидроразрыва» завершена, а ток через пласт еще не потек, проводятся измерения электрического и акустического полей при помощи распределенной системы соответствующих датчиков. Согласно Ландау, Лифшиц, Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, (2001), максимальный вклад в суммарную интенсивность измеряемых полей даст заостренный конец - «наконечник» - трещины. По этим данным, используя известные методики восстановления координат источника излучения по данным распределенной системы датчиков, определяется положение конца трещины и ее размеры (см., например, R.D. Barree, M.K. Fisher, R.A. Woodroof "A Practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies", SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 29 September-2 October 2002, San Antonio, Texas, paper №77442-MS, F. Peterman, D.L. McCarley, K.V. Tanner, J.H. Le Calvez, W.D. Grant, C.F. Hals, L. Bennett, J.C. Palacio "Hydraulic-Fracture Monitoring as a Tool To Improve Reservoir Management", SPE Production Operations Symposium, 16-19 April 2005, Oklahoma City, Oklahoma, paper №94048-MS.
Измерения параметров электромагнитного поля и/или акустических сигналов, возникающих в результате приложения импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва в процессе гидроразрыва, осуществляют по меньшей мере в одной скважине. Измерения могут проводиться в любой скважине, включая ту, в которой осуществляют гидроразрыв, при этом детекторы могут быть расположены на поверхности или в скважине.
Один из вариантов реализации изобретения предусматривает использование по меньшей мере двух скважин; электрические и/или акустические датчики распределяется по глубине измерительной скважины на уровне, близком к уровню трещины.
Для измерения параметров электромагнитного поля и акустических сигналов используют стандартные датчики, хорошо известные специалистам в данной области техники.
Известен эффект локализации электрического поля в областях с сильной геометрической неоднородностью. Сильное поле «концентрируется» вблизи острых поверхностей проводящих заряженых проводников и на поверхностях раздела между веществами с различными электрическими свойствами. В рассматриваемом случае в качестве таких веществ выступают слабопроводящая формация и высокопроводимая гидравлическая жидкость (гель). При приложении электрического импульса к жидкости (гелю) высокоинтенсивное электрическое поле наблюдается на поверхностях раздела и, в особенности, на остром конце трещины. Эти области могут являться источниками электромагнитного и акустического излучения, которое улавливается соответствующими детекторами. Детекторы могут быть расположены на поверхности или в скважине (для улучшения соотношения сигнал-шум). Анализируя сигналы различных детекторов, можно определять координаты конца трещины и некоторые ее геометрические параметры.
Изобретение поясняется чертежами, где для вертикальной скважины (число скважин может быть любым) и горизонтального продуктивного пласта, на фиг.1 представлен вариант реализации способа для определения параметров трещины в процессе ее создания во время гидроразрыва, на фиг.2 - вариант реализации способа при проведении измерений в измерительной скважине.
Заявленный способ определения параметров трещины гидроразрыва пласта может быть осуществлен следующим образом.
При осуществлении способа определения параметров трещины в процессе гидроразрыва в ствол скважины 1 насосом (не показан) нагнетают проводящую жидкость гидроразрыва. Жидкость гидроразрыва представляет собой в общем случае высоковязкую структурированную или неполимерную жидкость на водной или нефтяной основе, или на основе поверхностно-активного вещества. Жидкости на водной основе (полимерные или поверхностно-активные) крайне предпочтительны, или даже обязательны для оптимизации эффекта в скважинах, добывающих газ. Жидкость гидроразрыва нагнетают под давлением, достаточно высоким для того, чтобы произошел гидроразрыв пласта, тем самым обеспечивая перемещение жидкости в скважине 1. Величина давления жидкости гидроразрыва позволяет ей создать трещину 2 вокруг скважины 1 и проникать через поверхность трещины в зону фильтрации в продуктивном пласте вокруг трещины. От генератора 3 подается импульс напряжения, он прикладывается между электродом 4, размещенным в скважине 1 и находящимся в контакте с жидкостью гидроразрыва (или обсадной колонной; не показана), и электродом 5, заземленным на расстоянии от скважины 1, достаточном, чтобы избежать быстрой разрядки системы "жидкость гидроразрыва-заземленный электрод" за счет возникновения тока проводимости существенной величины между жидкостью и электродом в первые моменты времени после поступления импульса напряжения от скважины. Величина импульса напряжени подбирается в зависимости от глубины скважины 1. «Наконечник» трещины начинает интенсивно излучать электромагнитные и акустические волны, которые улавливаются набором соответствующих датчиков 6, подключенных к системе сбора и обработки информации 7, которые могут быть расположены на поверхности земли, как показано на фиг.1, или в измерительной скважине 8, как показано на фиг.2.
Амплитуда изменения потенциала φ в точке А может быть оценена исходя из соотношения:
f
f
w
w
f
w
f
где d - диаметр скважины, R - расстояние от наконечника трещины до точки А (точки измерения потенциала), d - характерный линейный размер (толщина) трещины у места ее контакта со скважиной, R - кратчайшее расстояние от трещины до точки A, R - кратчайшее расстояние от скважины до точки A, k, k и k - коэффициенты пропорциональности вкладов от скважины, поверхности трещины и «наконечника» трещины, σ - поверхностная плотность заряда, пропорциональная приложенному напряжению. Известно (см., например, Ландау, Лифшиц «Электродинамика сплошных сред»), что для наконечников с малым углом раствора θ k>>k, k. Последнее соотношение математически выражает факт повышенного энерговыделения на конце трещины, что позволяет проводить контроль ее развития и геометрии (в том числе и в масштабе реального времени) путем использования известных методик восстановления координат источника излучения по данным распределенной системы датчиков. Частота подачи импульсов и проведения обработки измеренных данных может варьироваться в зависимости от желаемой частоты получения данных о геометрии трещины.