МОНИТОРИНГ СКВАЖИНЫ С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ
WELL MONITORING USING MEANS OF DISTRIBUTED MEASUREMENT

Настоящее изобретение относится к мониторингу продуктивных скважин, таких как нефтегазовые скважины. Такой мониторинг часто называют скважинным мониторингом. В частности, настоящее изобретение относится к скважинному мониторингу с использованием распределенных акустических измерений (РАИ).
Волоконно-оптические датчики становятся признаваемым техническим средством для ряда применений, например геофизических применений. Волоконно-оптические датчики могут иметь различные конфигурации и в обычно используемой конфигурации катушка волокна размещена вокруг сердечника. Таким способом можно изготавливать точечные датчики, такие как геофоны или гидрофоны, для обнаружения в точке акустических и сейсмических данных, а большие группы таких точечных датчиков можно совместно мультиплексировать, используя волоконно-оптические соединительные кабели, чтобы образовывать полностью волоконно-оптическую систему. Пассивное мультиплексирование можно получать полностью оптически, и преимущество его заключается в том, что не требуются электрические соединения, что дает большое преимущество в условиях агрессивной среды, в которой электрическое оборудование легко выходит из строя.
Волоконно-оптические датчики находят применение при скважинном мониторинге, и является известным расположение группы геофонов в скважине или вокруг нее для обнаружения сейсмических сигналов с целью лучшего понимания локальных геологических условий и процесса добычи. Проблемой, связанной с таким подходом, является то, что геофоны обычно относительно большие, и поэтому размещение их вниз по скважине является трудным. В дополнение к этому геофоны обычно имеют ограниченный динамический диапазон.
В международной заявке WO2005/033465 описана система скважинного акустического мониторинга с использованием волокна, имеющего некоторое количество периодических возмущений показателя преломления, например брэгговских решеток. Акустические данные выводятся из волокна частями и используются для мониторинга скважинных условий.
Имеются многочисленные различные процессы, связанные с пластом и работой продуктивной скважины. Чтобы образовать скважину, обычно буровую скважину пробуривают до пласта породы и обсаживают обсадной колонной. Внешнюю сторону обсадной колонны можно заполнять цементом с тем, чтобы предотвращать загрязнение водоносного горизонта и т.д. в момент, когда начинается движение жидкости. После того как ствол скважины пробурен и обсажен, обсадную колонну обычно перфорируют. Перфорирование включает в себя отстрел ряда перфорационных зарядов, то есть кумулятивных зарядов, внутри обсадной колонны, которые создают перфорационные каналы в обсадной колонне и цементе, продолжающиеся в пласт породы. По завершении перфорирования в некоторых скважинах необходимо образовывать трещины в породе, чтобы создавать пути проникновения потоков нефти/газа. Обычно породу разрывают в процессе выполнения гидроразрыва, закачивая под высоким давлением жидкость, такую как вода, вниз по стволу скважины. Поэтому эта жидкость нагнетается под давлением в перфорационные каналы и в тот момент, когда достигается достаточное давление, вызывает гидроразрыв породы. Твердые частицы, такие как песок, обычно добавляют в жидкость, чтобы он застревал в образуемых трещинах и поддерживал их раскрытыми. Такие твердые частицы называют расклинивающим наполнителем. Скважину можно перфорировать в нескольких секциях, начиная с самой верхней секции скважины, отсчитываемой от устья скважины. Поэтому, когда секция скважины должна перфорироваться, ее можно изолировать заглушкой на то время, когда перфорируют следующую секцию.
После завершения всех перфорационных работ заглушки можно разбурить и установить эксплуатационную насосно-компрессорную колонну. Песчаные фильтры и/или гравийные набивки можно размещать для фильтрации притока и пакеры можно помещать между эксплуатационной насосно-компрессорной колонной и обсадной колонной. При недостаточном пластовом давлении может возникнуть необходимость устанавливать в скважины оборудование для механизированной эксплуатации скважин.
После заканчивания системы скважина-пласт можно начинать добычу продукта.
Таким образом, во время строительства скважины выполняют многочисленные скважинные процессы, и обычно имеется очень мало информации относительно того, что происходит в нижней части скважины. В устье скважины можно осуществлять мониторинг условий, таких как расход материала, поступающего в скважину и из скважины. Расстояние в буровой скважине можно определять путем измерения длины развертываемого кабеля, прикрепляемого к детали установки. Однако очень трудно получать обратную связь с места выполнения самого процесса. Скважинные условия обычно являются агрессивными и особенно, например, при выполнении гидроразрыва и перфорирования. Кроме того, даже когда скважина закончена, имеется необходимость в проведении различных испытаний и мониторинга, для чего часто требуется прекращать добычу и развертывать спускаемые на кабеле каротажные приборы.
Задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованных систем и способов скважинного мониторинга.
Согласно первому аспекту изобретения предложен способ мониторинга скважинного процесса, содержащий опрашивание оптического волокна, размещенного вдоль траектории ствола скважины, для получения распределенных сейсмических измерений; взятие выборок данных, собираемых с множества продольных участков указанного волокна; и обработку указанных данных для обеспечения индикации в реальном времени акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным чувствительным участком указанного волокна.
Распределенные акустические измерения представляют собой способ волоконно-оптических измерений, альтернативный измерениям точечными датчиками, в соответствии с которым оптически опрашивают отдельный отрезок продольного волокна, обычно с помощью одного или нескольких импульсов, для получения непрерывных измерений вибрационной активности на всем протяжении длины его. Оптические импульсы вводят в волокно, и излучение, рассеиваемое обратно внутри волокна, обнаруживают и анализируют. Большей частью обнаруживают обратное рэлеевское рассеяние. Путем анализа излучения, рассеиваемого обратно внутри волокна, можно эффективно разделять волокно на множество дискретных чувствительных участков, которые могут быть (а могут и не быть) соприкасающимися. В пределах каждого дискретного чувствительного участка механические вибрации волокна, например в результате действия акустических источников, вызывают вариацию количества излучения, которое рассеивается обратно с этого участка. Эту вариацию можно обнаруживать, и анализировать, и использовать для определения показателя интенсивности возмущения волокна на этом чувствительном участке. Используемый в этом описании термин «распределенный акустический датчик» будет означать датчик, содержащий оптическое волокно, которое опрашивается оптически для получения множества дискретных акустических чувствительных участков, распределенных в продольном направлении на всем протяжении волокна, а термин «акустический» будет означать механическую вибрацию любого вида или продольную волну, включая сейсмические волны. Поэтому способ может содержать введение серии оптических импульсов в указанное волокно и обнаружение волокном излучения обратного рэлеевского рассеяния; и обработку обнаруживаемого излучения обратного рэлеевского рассеяния для получения множества дискретных продольных чувствительных участков волокна. Отметим, что используемый в этой заявке термин «оптический» не ограничен видимым спектром, и оптическое излучение включает в себя инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение.
Отдельный отрезок волокна обычно является одномодовым волокном, и предпочтительно, чтобы он был свободен от любых зеркал, отражателей, решеток или (в отсутствие любого внешнего воздействия) любого изменения оптических свойств на всем протяжении его длины, то есть чтобы отсутствовала любая расчетная оптическая вариация на всем протяжении его длины. Этим обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что можно использовать немодифицированный по существу непрерывный отрезок стандартного волокна, при этом требуется небольшая или не требуется модификация или подготовка к использованию. Подходящая распределенная акустическая измерительная система описана, например, в документе GB2442745, содержание которого включено в эту заявку путем ссылки. Такой датчик можно рассматривать как полностью распределенный или «внутренний» датчик, поскольку в нем используется обрабатываемое собственное рассеяние, присущее оптическому волокну, а измерительная функция распределена на протяжении всего оптического волокна.
Поскольку волокно не имеет разрывов, длину и размещение отрезков волокна, соответствующих каждому каналу, определяют опрашиванием волокна. Их можно выбирать в зависимости от физической структуры волокна и скважины, мониторинг которой осуществляют, а также в зависимости от требуемого типа мониторинга. Таким образом, расстояние вдоль волокна или глубину в случае по существу вертикальной скважины и длину каждого отрезка волокна, или разрешение каналов, можно легко менять выдачей установки опрашивающему устройству на изменение длительности входных импульсов и коэффициента заполнения входных импульсов без каких-либо изменений волокна. Например, распределенные акустические измерения можно выполнять продольным волокном длиной 40 км, разделяя обнаруживаемые данные на отрезки длиной 10 м. При типичном скважинном применении длина волокна в несколько километров является обычной, то есть волокно проходит на всем протяжении длины всей буровой скважины и разрешение каналов продольных чувствительных участков волокна может быть порядка 1 м или нескольких метров. Как упоминается ниже, пространственное разрешение, то есть длину отдельных чувствительных участков волокна и распределение каналов можно изменять во время использования, например, в ответ на обнаруживаемые сигналы.
В способе настоящего изобретения распределенные акустические измерения применяют для мониторинга скважинного процесса, чтобы получать индикацию в реальном времени акустических сигналов от по меньшей мере одного продольного чувствительного участка волокна в окрестности скважинного процесса. Индикация в реальном времени как термин, используемый в настоящем описании, представляет собой индикацию, которая обеспечивается без какой-либо значительной задержки между сигналом, обнаруживаемым волокном и получаемым в результате индикации. Иначе говоря, индикация представляет собой в большинстве случаев точное представление акустических сигналов, в данный момент обнаруживаемых распределенным акустическим датчиком.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что должна быть по существу некоторая небольшая задержка, имеющая место при приеме излучения обратного рассеяния от соответствующего отрезка волокна, поскольку излучение должно распространяться обратно от соответствующей части волокна, где рассеяние происходит, до детектора на конце волокна. Кроме того, чтобы индикация акустических возмущений обеспечивалась, должны быть некоторые небольшие задержки, связанные с работой детектора, взятием выборок из данных и обработкой данных. Однако при распределенных акустических измерениях согласно настоящему изобретению можно обеспечивать индикацию акустических возмущений, обнаруживаемых чувствительными участками волокна без какой-либо значительной задержки. Этого можно достигать, используя доступные для приобретения детекторы и процессоры. В некоторых конфигурациях индикация акустического возмущения может быть получена в течение нескольких секунд или быстрее после фактического возмущения соответствующего отрезка волокна и может быть получена в течение одной секунды или быстрее. В некоторых конфигурациях индикация акустического возмущения может быть получена в течение нескольких десятков или сотен миллисекунд или быстрее (например, в течение 500 мс, 100 мс, 10 мс или быстрее, если исходить из фактического возмущения).
Поскольку способом предоставляется индикация в реальном времени акустических сигналов от по меньшей мере одного продольного чувствительного участка волокна, способом может предоставляться в реальном времени обратная связь, относящаяся к операции скважинного процесса. Большинство скважинных процессов приводит к созданию акустических возмущений. Обнаружение акустических возмущений может дать полезную информацию, относящуюся к операции процесса. Индикацией в реальном времени акустических сигналов можно выявлять наличие проблемы, связанной со скважинным процессом. Кроме того, индикацию также можно использовать в качестве части управления процессом, например, строительство скважины может включать в себя перфорирование секции скважины, гидроразрыв породы вокруг перфорационных каналов и затем помещение заглушки для герметизации этой секции скважины во время перфорирования другой секции. Этот процесс можно повторять несколько раз, чтобы перфорировать различные секции скважины. После завершения всего процесса перфорирования необходимо разбурить заглушки. Обычно процесс бурения выполняют при наличии только ограниченного понимания относительно того, где бурение происходит и как протекает процесс бурения. В то время когда любую отдельную заглушку разбуривают, о ходе бурения можно судить только по сведениям, которые поступают к устью скважины. Настоящее изобретение можно использовать для мониторинга отрезков волокна в окрестности бурения, когда оно продвигается на протяжении скважины. Акустические возмущения при бурении, просто проходящие через свободную секцию скважины, будут отличаться от акустических возмущений, создаваемых в случае, когда при бурении разбуривают заглушку, и поэтому индикацию в реальном времени акустических возмущений можно использовать для управления скоростью или ходом бурения, например для определения момента прекращения бурения в случае, когда пробуривают заглушку. Способ можно также использовать для управления реальной операцией процесса, например, акустическую индикацию можно использовать для определения необходимой корректировки, например, операции бурения.
Акустические сигналы, соответствующие различным скважинным процессам, можно эффективно обнаруживать, при этом предпочтительно, чтобы относящийся к процессу сигнал обратной связи мог предупреждать о потенциальной проблеме и/или мог давать возможность управления процессом. В качестве не создающих ограничений примеров способ можно использовать для мониторинга размещения любого из перфорационных зарядов, отстрела перфорационных зарядов, развертывания прибора или установки, разбуривания заглушек и добычи продукта.
Как упоминалось выше, размещение перфорационных зарядов включает в себя расположение одного или нескольких перфорационных зарядов в скважине для перфорирования секций скважины. Размещение перфорационного заряда в скважине может включать в себя спуск заряда в любую вертикальную секцию и, возможно, перемещение заряда скважинным трактором в любую горизонтальную секцию. В любом случае акустические возмущения, создаваемые при перемещении зарядов, можно использовать для прослеживания местоположений зарядов в скважине и следовательно, получения информации о том, правильно ли расположились заряды. Различные другие скважинные процессы также включают в себя размещение какой-либо установки, например прибора, в скважину для выполнения какого-либо процесса и к тому же правильного развертывания установки, а именно, могут быть важными правильное местоположение, ориентация и/или общая компоновка. Мониторинг процесса развертывания приборов можно осуществлять, используя способ настоящего изобретения, а индикацию в реальном времени акустических сигналов, создаваемых при развертывании прибора, можно использовать для определения момента времени, в который прибор будет правильно развернут.
Кроме того, можно осуществлять мониторинг отстрела перфорационных зарядов. Перфорирование конкретной секции скважины может содержать отстрел некоторого количества перфорационных зарядов из гирлянды таких зарядов. Эти заряды могут отстреливаться последовательно. Предоставление индикации в реальном времени акустических сигналов, создаваемых во время отстрела перфорационного заряда, может позволить идентифицировать проблемы, связанные с перфорированием, такие как неправильный отстрел заряда, неправильное местоположение и/или ориентация заряда, недостаточный перфорационный канал (например, интенсивность сигнала на различных местах может показывать количество энергии, передаваемой в окружающую породу) или проблемы, связанные со скважинной обсадной колонной (например, акустические возмущения после исходного, связанного с перфорированием события, указывающие на разрушение секции скважинной обсадной колонны или окружающего цемента). Это может позволить изменить местоположение или ориентацию гирлянды зарядов до еще одного отстрела или закончить перфорирование, чтобы иметь возможность дальнейшего исследования или ликвидации последствий.
В некоторых скважинах после перфорирования выполняют гидроразрыв, чтобы образовывать трещины породы и создавать пути движения для нефти или газа в скважину. Гидроразрыв включает в себя нагнетание под давлением жидкости в ствол скважины. Жидкость обычно содержит твердый материал, известный как расклинивающий наполнитель, который добавляют для поддержания трещин раскрытыми. Способ настоящего изобретения можно выполнять в течение времени, когда жидкость и расклинивающий наполнитель нагнетают вниз по стволу скважины, и он обеспечивает индикацию в реальном времени происходящего в скважине. Этим оператору дается возможность на основании данных с распределенного акустического измерительного датчика регулировать параметры потока, останавливать поток или по мере необходимости добавлять дополнительный твердый материал.
После завершения строительства скважины можно начинать добычу продукта. Мониторинг потока нефти или газа также можно осуществлять, используя способ настоящего изобретения. Приток флюида, то есть нефти и газа, в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну и движение флюида (нефти или газа) внутри эксплуатационной насосно-компрессорной колонны создают акустические возмущения, мониторинг которых можно осуществлять. Индикация в реальном времени акустических сигналов может показывать место, где приток флюида в скважину является наибольшим, и/или по ней можно идентифицировать любые проблемы, такие как вытекание из эксплуатационной насосно-компрессорной колонны или засорение сеток/фильтра. Поэтому мониторингом потока можно привлекать внимание ко всем проблемам, которые могут повлечь за собой временное прекращение добычи, для разрешения проблем. Кроме того, индикацией в реальном времени может обеспечиваться обратная связь, предназначенная для регулирования различных параметров управления, таких как работа насосов или чего-либо подобного.
Однако в общем случае для любого продолжающегося скважинного процесса и особенно для процесса, в котором параметры процесса можно изменять во время процесса, можно извлекать пользу из способа настоящего изобретения.
Предпочтительно, чтобы оптическое волокно было расположено в стволе скважины, в которой выполняют процесс. В одной конфигурации оптическое волокно проходит по внешней стороне скважинной обсадной колонны, хотя в некоторых осуществлениях волокно можно располагать так, чтобы оно проходило внутри обсадной колонны. Оптическое волокно можно прикреплять к скважинной обсадной колонне, когда ее вводят в ствол скважины, а если располагают по внешней стороне обсадной колонны, то впоследствии цементировать по месту в тех секциях скважины, в которых осуществляют цементацию.
Оптическое волокно можно также развертывать внутри обсадной колонны. Волокно можно прикреплять к внутренней стороне стенки обсадной колонны, например удерживать на месте прижимами, или подвешивать на подходящих подвесках на внутренней стороне обсадной колонны. Можно использовать любое подходящее приспособление для крепления к внутренней стороне обсадной колонны. Для мониторинга продуктивного потока кабель можно прикреплять к эксплуатационной насосно-компрессорной колонне, введенной в обсадную колонну, или к части ее.
Поэтому волокно следует по общей траектории ствола скважины и может продолжаться на протяжении всей длины скважинной обсадной колонны. Для мониторинга процесса, который локализуется в конкретной секции ствола скважины, предпочтительно, чтобы волокно продолжалось по меньшей мере дальше в ствол скважины относительно области, в которой выполняют конкретный процесс. Таким образом, во время выполнения процесса волокно можно опрашивать, чтобы получать один или множество, что предпочтительно, акустических чувствительных участков в окрестности процесса (который, например, в случае добычи продукта может охватывать всю длину скважины). Представляющие интерес чувствительные участки обычно можно различать, зная значение длины на всем протяжении волокна и, следовательно, скважины, или можно определять во время фактического выполнения процесса или на основании ранее определенных характеристик процесса. Например, при выполнении перфорирования способ может содержать мониторинг акустических возмущений в волокне, создаваемых на этапе перфорирования. Акустические возмущения во время перфорирования можно использовать для определения участков волокна, которые соответствуют местам перфорирования. Например, участки волокна, на которых имеется наибольшая интенсивность акустических возмущений во время перфорирования, могут соответствовать месту, где отстреливались перфорационные заряды.
Однако в некоторых случаях способ может включать в себя развертывание распределенного акустического измерительного датчика в другой буровой скважине, а не в буровой скважине, в которой выполняют скважинный процесс. Этот распределенный акустический измерительный датчик может находиться в дополнение к распределенному акустическому измерительному датчику, развернутому в буровой скважине, в которой выполняют процесс, и данные со всех датчиков могут использоваться для обеспечения индикации в реальном времени. Данные с двух датчиков можно подвергать корреляции, чтобы получать, например, более точную информацию о местоположении. Однако в некоторых осуществлениях может иметься распределенный акустический измерительный датчик только в другой буровой скважине, например датчик в наблюдательной буровой скважине или в существующей скважине. Распределенный акустический измерительный датчик в другой буровой скважине может быть основан на волокне, которое проложено постоянно, например, на цементированной внешней поверхности обсадной колонны существующей скважины. Однако в некоторых случаях, если такое волокно отсутствует, то может быть желательным развертывание датчика путем развертывания волокна в другой буровой скважине на время мониторинга процесса. В некоторых конфигурациях оптическое волокно может быть развернуто вместе с другими приборами или установками, например спускаемой на кабеле каротажной установкой. Такая установка уже может включать в себя одно или несколько оптических волокон, которые при использовании развертывают для связи между прибором и устьем скважины. Распределенный акустический измерительный датчик может быть реализован с использованием такого волокна, либо в качестве резервного волокна, либо путем мультиплексирования передачи данных и опросов распределенного акустического измерительного датчика, например, по времени или длине волны. Распределенный акустический измерительный датчик, развертываемый как часть спускаемого на кабеле каротажного прибора, можно использовать в представляющей интерес буровой скважине, но ясно, что этим можно ограничить процессы, мониторинг которых можно осуществлять, и потенциально протяженность ствола скважины, в котором можно осуществлять мониторинг. Поэтому для новой скважины является предпочтительным кабель, который развертывают по существу на всем протяжении длины ствола скважины и который не мешает строительству или работе скважины.
Данные с датчика, развертываемого в другой буровой скважине, а не в буровой скважине, в которой выполняют скважинный процесс, можно использовать для мониторинга бурения новой скважины. При бурении новой буровой скважины в ней еще нет волокна на соответствующем месте для мониторинга процесса бурения. В этом случае для мониторинга процесса бурения в по меньшей мере одной существующей скважине можно осуществлять мониторинг волокна. Он может быть просто предупреждающим звуком, возникающим, если сигналы, указывающие на то, что новая скважина находится слишком близко к существующей скважине, или он на самом деле может быть мониторингом развития процесса бурения.
Индикация в реальном времени акустических сигналов может содержать звуковой сигнал, представляющий акустические сигналы, обнаруживаемые по меньшей мере одним продольным участком волокна в окрестности скважинного процесса. Иначе говоря, акустические сигналы с одного или нескольких соответствующих отрезков волокна могут быть воспроизведены на подходящем звуковоспроизводящем устройстве. При наличии звукового сигнала обратной связи о действительно происходящем в стволе скважины персонал получает возможность управлять процессом.
Например, если способ используют для мониторинга процесса бурения, например разбуривания заглушки, акустические возмущения с отрезка волокна в окрестности бурения можно воспроизводить на звуковоспроизводящем устройстве. По мере продвижения бурения через скважину соответственно может меняться отрезок волокна, с которого выводится звуковой сигнал. Звуковое воспроизведение фактически позволяет оператору прослушивать звук бурения, несмотря на то, что оно может производиться глубоко под землей в агрессивной среде. Прослушивание звука бурения позволяет определять момент встречи бура с заглушкой и продолжительность нахождения бура в заглушке. Кроме того, воспроизведение звука в реальном времени может обеспечивать раннюю индикацию любых проблем, встречающихся во время бурения, и может также позволять идентифицировать характер проблемы.
Во время гидроразрыва пласта поток жидкости и расклинивающего наполнителя будет создавать фоновый шумовой сигнал, а при растрескивании будут создаваться сигналы переходных процессов с относительно высокой интенсивностью, которые для операторов будут звуками, аналогичными треску. Поэтому оператор, прослушивающий сигналы, образующиеся в акустическом канале волокна возле места индивидуального перфорирования, будет обеспечиваться в реальном времени звуковым сигналом обратной связи о потоке расклинивающей жидкости и любых образующихся в результате трещин, возникающих на месте этого гидроразрыва.
Как упоминалось, условия в глубоком стволе скважины могут быть очень агрессивными и особенно в продолжение этапов строительства скважины. Поэтому на практике помещение отдельно взятого датчика в ствол скважины при выполнении различных процессов в стволе скважины до настоящего времени фактически не производили. В способе настоящего изобретения используют волоконную оптику, которую можно располагать на внешней стороне скважинной обсадной колонны, чтобы во время скважинного процесса получать скважинный датчик в стволе скважины.
В дополнение к или как вариант к обеспечению воспроизведения звука индикация в реальном времени может содержать индикацию интенсивности акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным чувствительным участком волокна в окрестности скважинного процесса. Интенсивность в одном или нескольких выбранных представляющих интерес каналах, то есть отрезках волокна, может быть отображена на подходящем дисплее.
Имеются различные способы, в соответствии с которыми можно отображать интенсивность в выбранных каналах. Например, для всех каналов на дисплее можно отображать в виде гистограммы текущую интенсивность, максимальную интенсивность и/или среднюю интенсивность акустических сигналов на протяжении заданного или выбранного периода времени. Дополнительно или как вариант индикация в реальном времени может содержать водопадный график, представляющий интенсивность в цветных или полутоновых градациях и отображающий интенсивность в каждом канале в зависимости от времени.
Кроме того, способ может обеспечивать выполнение частотного анализа данных, а индикация в реальном времени может содержать индикацию частоты акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным участком волокна в окрестности скважинного процесса. Индикация частоты может содержать диаграмму в виде гистограммы текущей, максимальной или средней частоты в зависимости от номера канала и/или водопадный график, описанный выше, с частотой, представленной в цветных или полутоновых градациях. В дополнение или как вариант индикация может содержать индикацию интенсивности в пределах конкретной полосы частот, а способ может включать в себя разделение данных из продольных чувствительных участков волокна на одну или несколько спектральных полос. Иначе говоря, данные можно фильтровать с тем, чтобы включать только акустические возмущения с частотами в пределах частотного диапазона конкретной полосы. В некоторых ситуациях анализ данных в спектральной полосе может более ясно обозначить акустическое различие между различными каналами.
Благодаря представлению интенсивности и/или частоты из выбранных каналов оператор может определять, имеется ли значительная активность в любом конкретном канале. Для обнаружения местоположения прибора или перфорационного заряда в стволе скважины мониторинг возмущений, создаваемых при перемещении прибора/заряда, можно осуществлять путем рассмотрения интенсивностей в различных каналах.
Например, во время разбуривания заглушки можно ожидать акустических возмущений на конкретной частоте или в пределах конкретной полосы частот, обусловленных работой бура. Мониторинг этой частоты или частотной полосы может давать указание относительно места и/или характеристик бурения.
Предоставлением звуковой индикации данных от распределенного акустического измерительного датчика и/или предоставлением индикации интенсивности и/или частоты данных обеспечиваются полезные данные обратной связи, которые могут формироваться быстро без излишней непроизводительной обработки.
Однако в дополнение или как вариант этап обработки указанных данных может содержать анализ данных для обнаружения представляющего интерес события, а индикация в реальном времени может содержать индикацию этого указанного обнаруживаемого события. Представляющее интерес событие может быть определенным событием, которое можно ожидать при нормальном проведении процесса, или событием, которое указывает на проблему, связанную с процессом. Обнаружение представляющего интерес события может содержать анализ данных для по меньшей мере одной заранее заданной акустической характеристики. Представляющее интерес событие может иметь по меньшей мере одну особую акустическую характеристику, связанную с событием. Например, событие может содержать один или несколько конкретных образцов интенсивности и/или частоты. Эта акустическая характеристика может действовать как «акустический отпечаток», так что обнаружение характеристики является указанием на то, что конкретное событие произошло. Поэтому способ может содержать анализ данных для обнаружения присутствия такой акустической характеристики. По этой причине индикация в реальном времени может содержать индикацию того, произошло или нет представляющее интерес событие.
Способ может также содержать этап регулирования параметров опроса для смены участков волокна, с которых берут выборки. Иначе говоря, способ может включать в себя взятие выборки из первого набора продольных чувствительных участков в первый момент времени и затем взятие выборки из второго набора других продольных чувствительных участков во второй момент времени. Отрезок волокна, соответствующий одному из продольных чувствительных участков из первого набора, может содержать участки из двух продольных участков волокна из второго набора. Размеры продольных чувствительных участков волокна в первом наборе и втором наборе могут быть различными. Параметры опроса могут изменяться адаптивно в ответ на образуемые акустические данные. Например, мониторинг всего волокна в продолжение добычи продукта можно осуществлять, используя первый размер продольного участка, например, отрезки длиной 20 м. Если в конкретном месте скважины значительное изменение сигнала происходит неожиданно, параметры опроса можно изменять, чтобы уменьшать размер чувствительных участков, например, до отрезков длиной 1 м для получения более высокого разрешения. Однако в этом случае более высокое разрешение может требоваться только в области вблизи представляющего интерес места. Поэтому необходимо обрабатывать только возвратные сигналы из области вблизи представляющего интерес места. Этим можно уменьшать объем обработки, необходимой для поддержания поступления данных в реальном времени.
Как упоминалось выше, способом предоставляются данные в реальном времени, которые можно использовать в способе управления скважинным процессом. Такой способ управления может содержать выполнение скважинного процесса; мониторинг скважинного процесса с использованием способа, описанного выше; и регулирование операции процесса сообразно обстоятельствам в ответ на индикацию в реальном времени акустических сигналов. Параметры процесса могут регулироваться оператором в ответ на указанную индикацию или в некоторых конфигурациях по меньшей мере один параметр скважинного процесса может регулироваться автоматически в ответ на индикацию в реальном времени.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к компьютерному программному продукту, который при прогоне на соответствующим образом запрограммированном компьютере или процессоре, соединенном с контроллером или содержащем в составе контроллер для оптического опрашивающего устройства или скважинной волоконной оптики, выполняет способ, описанный выше.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ выполнения скважинной операции, содержащий выполнение скважинного процесса; прием в реальном времени сигнала обратной связи с акустическими данными со скважинного распределенного датчика, относящегося к операции указанного процесса; и управление указанным скважинным процессом на основании указанного сигнала обратной связи с акустическими данными. Таким образом, способ относится к управлению скважинными процессами на основании данных в реальном времени, относящихся к акустическим сигналам со скважинного распределенного акустического измерительного датчика. Способ из этого аспекта изобретения обладает всеми преимуществами и может использоваться во всех тех осуществлениях, которые описаны выше.
Изобретение также относится к системе для мониторинга скважинного процесса, при этом указанная система содержит устройство опрашивания волоконной оптики, выполненное с возможностью получения распределенных акустических измерений на основании оптического волокна, размещенного вдоль траектории ствола скважины; устройство взятия выборок, размещенное для взятия выборок из выходных сигналов множества каналов указанного опрашивающего устройства для получения в реальном времени акустических данных с множества продольных участков указанного волокна; и интерфейсное устройство, выполненное с возможностью вывода в реальном времени на индикацию акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным чувствительным участком указанного волокна. Система согласно этому аспекту изобретения также является выигрышной благодаря всем преимуществам и вновь может быть реализована во всех осуществлениях, описанных выше относительно других аспектов изобретения.
В частности, интерфейсное устройство может содержать звуковоспроизводящее устройство для создания звукового сигнала на основании акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным участком волокна в окрестности скважинного процесса, и/или интерфейсное устройство содержит дисплейное устройство и при этом указанная индикация в реальном времени содержит индикацию интенсивности акустических сигналов, обнаруживаемых по меньшей мере одним продольным чувствительным участком волокна в окрестности скважинного процесса.
Система мониторинга может содержать часть управляющей системы для управления скважинным процессом, которая также содержит контроллер для управления параметрами процесса, при этом контроллер является реагирующим на индикацию в реальном времени, создаваемую указанной системой мониторинга, для управления указанными параметрами процесса.
В общем случае изобретение относится к применению распределенных акустических измерений для обеспечения оператора скважинного процесса обратной связью в реальном времени с акустическими сигналами, создаваемыми указанным скважинным процессом.
Изобретение распространяется на способы, установку и/или применение, по существу описанные в этой заявке с обращением к сопровождающим чертежам.
Любой признак из одного аспекта изобретения может быть применен к другим аспектам изобретения в любом подходящем сочетании. В частности, аспекты способа могут быть применены к аспектам установки и наоборот.
Кроме того, признаки, реализуемые техническими средствами, обычно могут быть реализованы программным обеспечением и наоборот. Любое упоминание в этой заявке программного обеспечения и технических средств должно толковаться соответствующим образом.
Теперь предпочтительные признаки настоящего изобретения будут описаны только для примера с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фиг.1 - вид установки для мониторинга скважины с использованием распределенных акустических измерений;
фиг.2 - иллюстрация выходного сигнала системы из фиг.1;
фиг.3 - схематичное представление связанного с перфорированием события согласно осуществлению настоящего изобретения;
фиг.4 - иллюстрация этапов сейсмического обнаружения и параметризации при мониторинге раскрытия трещин;
фиг.5 - иллюстрация результатов мониторинга притока, улучшенных благодаря использованию дисперсионных статистических величин;
фиг.6 - иллюстрация осуществления опрашивающего устройства; и
фиг.7 - пример индикации в реальном времени обнаруживаемых акустических сигналов с помощью графического представления в виде гистограммы.
Волоконно-оптический кабель 102 помещен вдоль траектории скважины, которая в настоящем примере представляет собой газовую скважину и может находиться на суше или в море. Скважина образована, по меньшей мере частично, с металлической эксплуатационной обсадной колонной 104, введенной в буровую скважину 106, при этом в настоящем примере пространство между внешней стенкой обсадной колонны и скважиной заполнено цементом 108. Эксплуатационная обсадная колонна может быть образована из многочисленных секций, соединенных друг с другом, и в некоторых случаях секции должны иметь разные диаметры. При таком подходе диаметр обсадной колонны может постепенно сужаться к забою скважины. Как можно видеть на фиг.1, в этом примере волокно проходит сквозь цементное заполнение и фактически прижато к внешней поверхности металлической обсадной колонны. Было установлено, что оптическое волокно, которое является связанным, например, в этом случае вследствие прохождения сквозь цементное заполнение, дает иной акустический отклик на определенные события по сравнению с волокном, которое является свободным. Оптическое волокно, которое связано, может давать более качественный отклик, чем волокно, которое является свободным, и поэтому может быть полезно позаботиться от том, чтобы волокно было связано цементом. Различие откликов связанного и свободного волокон можно также использовать в качестве показателя повреждения цемента, что, как будет описываться позднее, может быть полезным.
Волокно выступает из устья скважины и соединено с опрашивающим/процессорным блоком 112. Опрашивающий блок инжектирует свет в волокно и воспринимает излучение, рассеиваемое обратно на всем протяжении длины волокна. Конкретная форма входного света и потенциальная возможность взятия выборок/обработки блоком делают возможным одновременный вывод многочисленных каналов данных, при этом каждый канал соответствует акустическим данным, воспринимаемым на всем протяжении конкретного отрезка волокна, находящегося вдоль волокна на конкретном расстоянии. Хотя в данном случае опрашивающий/процессорный блок показан в виде единственного изделия, техническое обеспечение можно разделять между несколькими средствами, например, опрашивающий модуль будет получать исходные выходные данные, передавать их на персональный компьютер или портативный компьютер для обеспечения функциональной возможности обработки данных.
На фиг.6 показана работа опрашивающего блока 112. Лазерный модуль 601 оптически связан с оптическим волокном 102 подходящим оптическим средством ввода (непоказанным). Лазерный модуль посылает в волокно оптические импульсы заданной длительности и частоты, при этом, как описано, например, в документе GB2442745, в волокно могут посылаться пары импульсов, имеющих заданную разность частот. Рассеиваемое обратно излучение вводится в модуль 602 фотодетектора, обнаруживающий излучение, которое является релеевским, рассеиваемым обратно внутри волокна. Как показано в документе GB2442745, можно обнаруживать излучение на разностной частоте посылаемых импульсов.
Данные с модуля 602 фотодетектора могут проходить к модулю 603 фильтра, который может фильтровать данные на представляющих интерес акустических частотах. Модуль 603 фильтра может содержать, например, фильтр верхних частот. Далее данные могут проходить на модуль 604 быстрого преобразования Фурье, предназначенный для выполнения быстрого преобразования Фурье перед прохождением данных на процессорный модуль 605, предназначенный для обеспечения индикации в реальном времени.
Используя в таком опрашивающем устройстве доступные для приобретения компоненты, можно обеспечивать индикацию в реальном времени акустических возмущений (которые для целей этого описания включают в себя механическую вибрацию или возмущения любого вида, такие как продольные или сейсмические волны), встречающихся в реальном времени в каждом из 4000 отдельных каналов. Однако в некоторых применениях могут представлять интерес только данные из поднабора всех доступных каналов волокна. Поэтому опрашивающее устройство может быть выполнено с возможностью обработки данных только из релевантных каналов. Этим можно уменьшать объем требуемой обработки и тем самым уменьшать любые задержки при обработке.
Когда установку выполняют с возможностью предоставления в реальном времени индикации акустических сигналов оператору или контролеру процесса, предоставляемая в реальном времени индикация может быть визуальной с помощью дисплейного устройства 607 или звуковой с помощью звуковоспроизводящего устройства 606 или обоих видов, и может предоставляться в помещение управления или через мобильное устройство на станцию управления и контроля.
Пример возможных выходных данных с устройства из фиг.и 6 показан на фиг.2. В данном случае номер канала (продольный чувствительный участок) (и поэтому глубина по существу вертикальных скважин) отображен по оси y, при этом нуль представляет канал, ближайший к поверхности. Показаны 400 каналов. Чтобы получить водопадный график, который непрерывно обновляется, когда новые данные делаются доступными, время отображено по оси x. Обнаруженная интенсивность энергии показана в цветных или полутоновых градациях на верхнем графике 202 для получения двумерной визуализации распределения акустической энергии на всем протяжении обнаруживаемой длины волокна в каждый из последовательно расположенных моментов времени, при этом использована шкала, показанная в правой части.
Водопадный график этого вида может дать оператору возможность сразу увидеть, где в буровой скважине имеется значительная акустическая активность. Кроме того, он будет ясно показывать любые значительные изменения акустических возмущений. Например, положим, что вся скважина является относительно малошумящей и подвергается воздействию только фонового шума. Установившееся повышение акустической активности по одному или нескольким каналам будет показываться изменением цвета на уровне относительно низкого фона. Это само по себе будет полезной информацией, которая до некоторой степени является видоизмененной. Если повышенное возбуждение продолжается, и в том же самом месте, на водопадном графике начнет отображаться горизонтальная линия повышенной активности. Однако, если место возмущения перемещается, то в соответствующих затрагиваемых каналах также будет изменение и на этом водопадном графике будет отображаться наклонная линия. В случае неожиданного события, которое затрагивает несколько каналов, но затем прекращается, будет иметься вертикальная линия. Поэтому водопадным графиком обеспечивается очень полезная визуальная индикация акустических событий, происходящих в направлении вниз по скважине.
В зависимости от глубины скважины и размера акустических каналов может оказаться невозможным отображение каждого канала индивидуально на графике на всем протяжении скважины. Например, в случае буровой скважины длиной 5 км, опрашиваемой с использованием, например, каналов длиной 2 м, будут создаваться 2500 отдельных каналов. При отображении скважины на всем протяжении каналы можно группировать друг с другом и отображать среднюю интенсивность возмущений. Однако оператор может быть в состоянии выбирать любую секцию скважины и видеть участок водопадного графика с более высоким разрешением, в конечном счете, до конца водопадного графика, показывающего индивидуальные каналы.
Кроме того, в некоторых случаях отображение обнаруживаемой общей интенсивности звука может быть полезным при обнаружении переходных акустических событий, особенно при таких процессах, как перфорирование и гидроразрыв пласта. Оно также может быть полезным для выполнения любого частотного анализа. На центральном графике 204, показанном на фиг.2, представлены те же данные после проведения обнаружения переходных процессов (которое будет пояснено более подробно ниже) и на нижнем графике 206 представлена частота обнаруженных переходных процессов в соответствии со шкалой справа от графика. На среднем 204 и нижнем 206 графиках глубина от 0 до 4000 м представлена по оси y, тогда как время от 0 до 10000 с по оси x. Конфигурация является такой, что данные являются доступными со всех каналов в каждый период взятия выборки, хотя, как упоминалось, оператор может выбирать для отображения один или несколько поднаборов каналов и/или процессор данных может автоматически отображать представляющий интерес поднабор в ответ на определенные условия.
В дополнение к водопадному графику для индикации в реальном времени может быть полезным графическое представление в виде гистограммы, такой, какая показана на фиг.7. Графическое представление в виде гистограммы можно использовать для отображения интенсивности в каждом канале или, в зависимости от масштаба отображения, средней интенсивности в группах каналов. Как вариант такую же конфигурацию можно использовать для отображения частоты в каждом канале или группах каналов. В некоторых конфигурациях гистограмма может быть ограниченной для показа интенсивности на конкретной акустической частоте, или в частотном диапазоне, или как вариант на частоте сигналов, находящихся в пределах определенного диапазона интенсивностей.
Что касается примера диаграммы 701, показанной на фиг.7, то можно ясно видеть, что в каналах в области 702 имеется более высокая интенсивность по сравнению с уровнями окружающего шума, обнаруживаемого в большей части других каналов. В более отдаленных каналах в области 703 также проявляются акустические возмущения. Такая диаграмма была получена во время обработки, проводившейся в области 702, такой как гидроразрыв пласта, и она может показывать, что нечто неожиданное происходило в области 703, и это может указывать на проблему. Однако, если бы процесс был ожидаемым, приводящим к возмущению в обеих областях 702 и 703, таким как приток флюида из отдельных мест перфорирования, относительная разность интенсивностей могла бы указывать на неустойчивые условия. Например, песчаный фильтр на месте 703 большей частью мог бы быть блокированным.
Поэтому должно быть ясно, что предоставлением визуальной индикации в реальном времени таких видов можно обеспечивать фактическую обратную связь, о том, что в настоящее время происходит в скважине, когда выполняют процесс.
В дополнение к предоставлению визуальной индикации, например, в помещение управления или аналогичное конкретный акустический канал можно выбирать для звукового воспроизведения. Иначе говоря, оператор может получать для прослушивания сигналы, обнаруживаемые с помощью конкретного отрезка волокна. По существу соответствующий отрезок волокна действует как микрофон. Возможность прослушивания в реальном времени сигналов из секций глубоко расположенной подземной скважины во время различных скважинных процессов следует считать новой. При прослушивании обнаруживаемых сигналов оператор может ощущать процесс и его развитие. При перемещении по различным каналам, находящимся на различных местах процесса, который происходит на различных участках, оператор может определять, имеются ли какие-либо значительные изменения на различных участках и/или создают ли какой-либо значительный эффект любые изменения параметров процесса.
Например, во время процесса бурения за пределами заглушек оператор бурения может прослушивать каналы вблизи бура. По акустическому каналу ход буровых работ может отслеживаться вниз по стволу скважины автоматически или по выбору оператора. Когда бур наталкивается на заглушку, звук операции бурения может передаваться оператору, который в таком случае будет получать некоторый критерий относительно того, как протекает процесс бурения, и который может соответствующим образом регулировать операцию бурения.
В дополнение к предоставлению звуковой и/или визуальной обратной связи, касающейся акустических сигналов, обнаруживаемых во время скважинного процесса, акустические сигналы из некоторых или всех чувствительных участков чувствительного волокна можно анализировать применительно к сигналам, которые являются характеристикой представляющего интерес события. Как должны осознавать специалисты в данной области техники, можно выполнять анализ сигнатур акустических сигналов, чтобы обнаруживать сигнатуры акустических сигналов, которые представляют какие-либо точно определенные события. Анализ сигнатур акустических сигналов может содержать анализ эволюции сигнала с продольного чувствительного участка волокна по отношению к известной сигнатуре. В некоторых осуществлениях сигналы с нескольких соседних чувствительных участков волокна могут анализироваться совместно для обнаружения конкретной характеристики. Если характеристика представляющего интерес события обнаруживается, то для оператора может создаваться сигнал тревоги или об опасной обстановке.
Хотя приведенное выше рассмотрение было сосредоточено на предоставлении обратной связи человеку-оператору, в некоторых осуществлениях индикацию в реальном времени можно использовать для автоматического управления по меньшей мере некоторыми параметрами скважинного процесса. Снова обратимся к фиг.6, на которой процессорный модуль 605 может быть выполнен с возможностью предоставления в реальном времени указания управляющему блоку 608 относительно управления по меньшей мере одним аспектом скважинного процесса. Контроллер 608 может быть просто блоком отключения или аварийного отключения, предназначенным для остановки процесса при обнаружении проблемы, но в других осуществлениях контроллер регулирует параметры используемого процесса, а указание в реальном времени с процессорного модуля 605 используется в контуре обратной связи.
В некоторых осуществлениях характеристики опрашивающего устройства могут изменяться в ответ на подачу в реальном времени управляющего сигнала с модуля 605 обработки данных на лазерный модуль 601. Например, во время мониторинга расхода в скважине можно использовать, например, каналы первого размера, допустим 20 м, и можно анализировать все каналы ствола скважины (допустим 250 в случае 5-километровой скважины). При обнаружении значительного изменения в любом канале для получения более высокого разрешения размер каналов можно уменьшать, например, до 1 м или около этого и анализировать 250 каналов в окрестности события.
Предлагается использовать систему, описанную выше, для мониторинга различных скважинных процессов, включая, например, размещение установки, отстрел перфорационных зарядов, гидроразрыв пласта, разбуривание заглушек и движение флюида. Кроме того, система может обеспечивать мониторинг общих условий, а в некоторых конфигурациях также может позволять осуществлять связь со скважинными датчиками.
Определение местоположения установки
Способ может содержать использование распределенного акустического измерительного датчика для мониторинга процесса размещения установки в стволе скважины, например, для контроля правильного развертывания заглушки, измерительного или другого прибора или правильного размещения перфорационных зарядов.
В случае вертикальных скважин прибор можно спускать в скважину до тех пор, пока не будет развернут определенный отрезок кабеля, а длину кабеля использовать в качестве показателя положения в скважине. В скважинах с горизонтальными секциями можно иметь развернутый в скважине скважинный трактор для перемещения установки в заданное положение. И в этом случае длину кабеля, прикрепленного к установке, можно использовать для определения местоположения.
При мониторинге развертывания установки местоположение можно получать независимо, отмечая акустические возмущения, создаваемые при развертывании установки, то есть осуществляя обнаружение звуков, создаваемых установкой, например, ударяющейся о стенки обсадной колонны, или звуков, создаваемых скважинным трактором на обсадной колонне. Эти возмущения можно обнаруживать как относительно интенсивные события, возникающие на конкретном чувствительном участке волокна, при этом соответствующий чувствительный участок волокна обеспечивает другой способ определения положения прибора. Кроме того, скважинный трактор можно обнаруживать по характеристической частоте, связанной, например, с силовым блоком.
Поэтому мониторинг продвижения установки можно осуществлять по соответствующей водопадной диаграмме для соответствующей секции скважины и прекращать развертывание после достижения заданного места.
Отстрел перфорационных зарядов
В одном осуществлении распределенный акустический измерительный датчик используют для мониторинга связанных с перфорированием событий. Мониторинг связанного с перфорированием события можно использовать для решения по меньшей мере двух отдельных задач. Прежде всего, можно определять место перфорирования. Может быть трудно точно управлять направлением перфорирования в буровой скважине и поэтому обнаружение места перфорирования может облегчать управление и подготовку дальнейших операций перфорирования. Кроме того, сигнатуру акустического сигнала в результате связанного с перфорированием события можно сравнивать с определенными ожидаемыми характеристиками, чтобы определять, проведено ли перфорирование удовлетворительно. Гирлянду перфорационных зарядов можно располагать в конкретной секции скважины и отстреливать их последовательно. Получая в реальном времени обратную связь относительно акустических возмущений при отстреле одного или нескольких перфорационных зарядов, оператор отстрела перфорационных зарядов может регулировать местоположение следующего заряда, отстреливать заряд другого типа, прекращать процесс перфорирования при столкновении с проблемой или может иметь удовлетворительную обратную связь, в соответствии с которой процесс должен продолжаться, как было запланировано. Возможность обнаружения связанных с перфорированием событий будет описываться ниже.
Исключая мониторинг перфорирования, само, связанное с перфорированием событие является имеющим высокую энергию событием, при котором акустически возбуждается большая часть ствола скважины, то есть обсадная колонна, цемент, все заглушки, уже находящиеся на местах, и т.д. Акустический отклик на связанное с перфорированием событие позволяет получать и оценивать акустический профиль ствола скважины.
Во время связанного с перфорированием события выборки акустических данных получают между 0,2 Гц и 20 кГц на протяжении длины пробуренной скважины. Мониторинг энергии, представленной в каждом канале, осуществляют путем полосовой фильтрации и затем вычисления среднеквадратичного значения энергии или путем выполнения быстрого преобразования Фурье и суммирования энергии в интервале частот от верхней до нижней (обычно 512-точечного быстрого преобразования Фурье с 50%-ным перекрытием, фильтрацией от 300 до 5 кГц, если частота взятия выборок является реальной). Можно получать двумерный массив данных обнаруживаемой энергии по времени и глубине (или положению).
При дальнейшей обработке массива данных путем идентификации пиков выявляется, что импульсный сигнал перфорирования проходит вверх и вниз по обсадной колонне скважины, а также в породу. Поэтому можно построить график энергии, описанный выше, и как показано на фиг.3, трассу можно идентифицировать, прослеживая продвижение импульса.
Можно измерять градиент идентифицируемой трассы, поскольку он представляет скорость, с которой энергия распространяется на протяжении скважинной обсадной колонны. Это дает показатель скорости прохождения в среде. Его можно использовать для выявления участков скважинной обсадной колонны, которые являются отличающимися, поскольку на них изменяется скорость прохождения. Он может указывать на проблему, связанную с креплением обсадной колонны, или конструктивные проблемы в самой обсадной колонне.
Автоматизированный алгоритм прослеживания можно использовать для вычисления скорости изменений энергии на этой трассе и определения участков, на которых скорость изменяется.
Предложенный алгоритм будет работать в предположении, что представляющее интерес событие является более крупномасштабным по сравнению с нормальным состоянием скважины, чтобы пик энергии, идентифицируемый как связанное с перфорированием событие, можно было надежно идентифицировать. В таком случае пик может быть соотнесен на протяжении последовательных временных кадров, а средняя скорость может быть вычислена на протяжении 1, 2, 3, ... 10 с. При дальнейших усовершенствованиях можно одновременно трассировать многочисленные пики (полезные при различении основного импульса в случае многократных отражений).
При дальнейшем рассмотрении фиг.3 обнаруживаются отчетливые точки отражения энергии. Точки возникают на соединениях в обсадной колонне и могут давать инженеру информацию, касающуюся соединений по длине обсадной колонны. Везде, где имеется значительное рассогласование характеристик материалов, может происходить частичное отражение, и при большем рассогласовании коэффициент отражения будет больше. Другие дефекты материалов, такие как трещины или выкрашивание, могут существенно влиять на прохождение энергии по обсадной колонне и волокну и могут идентифицироваться при использовании этого способа.
Например, можно оценивать состояние цемента, окружающего обсадную колонну. Акустический отклик цемента может изменяться в областях, в которых в цементе имеются значительные пустоты, либо технологические как результат предшествующего перфорирования, либо как результат связанного с гидроразрывом пласта события. С пустотами в цементе могут быть связаны проблемы, поскольку, если последующее перфорирование происходит в области пустот, то когда расклинивающий наполнитель закачивают в ствол скважины, он может протекать не в перфорационные каналы в породе, а в пустоты, при этом теряется большое количество расклинивающего наполнителя и приостанавливается строительство скважины до тех пор, пока проблема не будет устранена.
Как упоминалось выше, отклик свободного волокна отличается от отклика связанного волокна и поэтому, если само волокно пропущено через пустоту в цементе, и таким образом, является свободным в этой области, акустический отклик будет в значительной степени иным. Поэтому настоящее изобретение может включать в себя обнаружение пустот в цементе, окружающем обсадную колонну.
Этим способом также можно оценивать расположение и состояние заглушек.
Мониторинг образования трещин
Как только перфорационные каналы выполнены, жидкость и расклинивающий наполнитель поступают в скважину для создания гидроразрыва пласта. Можно осуществлять мониторинг акустических откликов акустических каналов волокна в окрестности перфорационных каналов. Поток жидкости высокого давления, содержащей твердые частицы, проходящий сквозь обсадную колонну 104, создает большое количество акустических возмущений, и во всех каналах волокна, соответствующих секциям ствола скважины, в которых возникает поток, будет создаваться акустический отклик. Однако было установлено, что акустические каналы в окрестности мест перфорирования имеют акустические отклики, которые связаны с потоком жидкости для гидроразрыва в месте перфорирования и возникающими гидроразрывами. Поэтому акустическую энергию каналов волокна в окрестности мест гидроразрывов можно представлять оператору процесса гидроразрыва пласта, например, на водопадном графике или гистограмме.
Кроме того, было установлено, что этот отклик может быть виден наиболее заметно при просмотре полос дискретных частот акустических возмущений. Поэтому возвратные сигналы можно обрабатывать в нескольких различных частотных полосах и представлять оператору одновременно (например, на различных графиках или в виде наложенных кривых различных цветов), или последовательно, или по выбору пользователя. Кроме того, данные могут обрабатываться для автоматического обнаружения спектральной полосы, которая обеспечивается наибольшей разностью между интенсивностью в каналах в окрестности места перфорирования и интенсивностью в каналах из других секций скважины.
Благодаря отображению оператору в реальном времени такого графического представления оператор получает информацию, которая позволяет ему видеть, как развивается процесс образования трещин и имеются ли какие-либо проблемы, связанные процессом образования трещин. Значение интенсивности и/или частоты акустического сигнала, соответствующего втеканию жидкости для гидроразрыва в место перфорирования и образованию гидроразрыва пласта также можно анализировать, чтобы определять некоторые параметры, относящиеся к трещинам, такие как общий размер трещин и/или скорость гидроразрыва пласта.
В дополнение к визуальному отображению конкретный акустический канал может выбираться для воспроизведения звука. При прослушивании обнаруживаемых сигналов оператор может ощущать процесс гидроразрыва пласта и его развитие. При перемещении по различным каналам, связанным с различными местами образования трещин оператор сам может определять, имеются ли какие-либо значительные различия в гидроразрыве пласта около различных мест перфорирования и/или создают ли какой-либо значительный эффект любые изменения параметров потока.
Как упоминалось выше, в некоторых случаях жидкость для гидроразрыва может не втекать в породу и может происходить вымывание расклинивающего наполнителя. При нормальной работе поток жидкости с расклинивающим наполнителем обычно проходит с определенной скоростью и имеет определенную характеристику. Если жидкость находит другой путь или надлежащее образование трещин прекращается, условия протекания в скважине могут изменяться. Поэтому для обнаружения любого значительного изменения во время протекания жидкости с расклинивающим наполнителем можно осуществлять мониторинг акустического отклика. Если определенная часть обсадной колонны повреждается, это можно заметить по неожиданному появлению сигнала в определенной части ствола скважины. Обнаружение такой составляющей можно использовать для формирования сигнала тревоги для оператора.
Дальнейшие сейсмические и связанные с образованием трещин события, представляющие интерес, имеют определенно иной характер по сравнению с непрерывным шумом потока, вызываемым притоком под высоким давлением воды и песка во время процесса гидроразрыва пласта. Обычно их характеризуют как короткие и импульсные события, в дальнейшем называемые связанными с переходными процессами событиями. Техническое средство для наблюдения короткопериодных вариаций вдали от средних уровней переменных (обнаружитель переходных процессов) извлекает эти события из фона и длиннопериодного шума. Общий способ обработки представлен на фиг.4.
Обработкой этим способом акустических данных, принимаемых для выделения связанных с переходными процессами событий, можно обнаруживать и наблюдать связанное с образованием трещин событие, и можно определять следующие параметры:
- глубину, на которой возникает трещина, можно определять в соответствии с каналом, в котором обнаруживают связанное с образованием трещин событие.
- Скорость, с которой возникают трещины, или плотность трещин можно определять в соответствии с количеством и/или интенсивностью сигналов от обнаруживаемых трещин на протяжении заданного периода времени или интервала глубин.
- Показатель величины трещины можно определять в соответствии с измеряемой продолжительностью образования трещины и также по размаху трещины, определяемому по числу каналов, на которые влияет единственное событие.
- Оценку расстояния от скважины можно делать на основании частотных характеристик связанного с образованием трещин события. Чтобы получать единственный частотный параметр, можно использовать среднюю частоту спектральной формы события. Другие частотные параметры, которые можно определять, включают в себя статистические величины второго порядка, такие как асимметрия и эксцесс.
Чтобы идентифицировать переходные процессы среди других фоновых данных, меру короткопериодной изменчивости сравнивают с нормальной или средней изменчивостью для данного канала.
В настоящем примере этого достигают с помощью совокупности статистических величин, представляющих среднюю энергию и среднее абсолютное отклонение относительно среднего (САР: среднее абсолютной (абс.) разности текущего значения и среднего значения).
Эти две статистические величины обновляют путем экспоненциального усреднения, когда принимают каждое обновление данных, при этом используют член N затухания.
Средние данные=((N-1)/N)×средние данные +(1/N)×новые данные,
САР=((N-1)/N)×данные САР+(1/N)×абс. (новые данные - средние данные).
При этом сначала данные подвергают быстрому преобразованию Фурье и вычисления выполняют в расчете на канал и в расчете на интервал частот.
Затем уровень переходного процесса находят в следующей форме:
Абс. |новые данные - средние данные|/САР.
Это дает значение, определяющее, насколько изменчивость конкретного интервала частот больше его средней изменчивости. Следовательно, очень изменчивые каналы являются саморегулирующимися, и имеется только избыточная и необычная изменчивость, которая обнаруживается. Изменением значений N алгоритм можно приспосабливать для обнаружения событий, связанных с переходными процессами различной продолжительности. Обычно используют множители 4, 6, 8, ... 128, но они зависят от заданной продолжительности переходного процесса и скорости быстрого преобразования Фурье в системе. Выполняя этот процесс в частотной области, получают высокую степень управления на частотах, используемых для образования связанного с переходным процессом события, и данные относительно спектральной структуры переходного процесса вычисляют и сохраняют для извлечения признаков.
Алгоритм адаптивно выбирает экспоненциальный множитель в соответствии с инициированием переходного процесса. Если при повторном вычислении средних и промежуточных значений обнаруживается, что интервал частот превышает пороговое значение, то для N используется иное значение (в этом примере используется 100N), и это означает, что связанное с переходным процессом событие включается в общие статистические данные в намного меньшей доле по сравнению с нормальными событиями.
Кроме того, можно осуществлять мониторинг связанных с образованием трещин событий, чтобы делать возможным картографирование трещин и картографирование плотности трещин. В типичных эксплуатационных условиях несколько скважин могут находиться на одном и том же нефтяном или газовом месторождении. В идеальном случае каждой скважиной вскрывается пласт на отдельной части месторождения. Однако возможно прохождение трещин, создаваемых в одной скважине, в ту же область, в которую проходят трещины из другой скважины. В этом случае нет возможности повышать добычу за счет новой скважины, поскольку любая добыча на новой скважине снижает добычу на старой скважине. Поэтому желательно осуществлять мониторинг местоположения трещин. Использование распределенной системы акустических измерений предоставляет возможность обнаружения места возникновения связанного с образованием трещин события и мониторинга его в реальном времени, так что делается возможным управление в продолжение процесса гидроразрыва пласта.
Как ни удивительно, было установлено, что распределенные акустические измерительные системы можно использовать для обнаружения в отдельности P- и S-волн. P-волны (волны давления или первичные) являются продольными волнами, которые распространяются через твердый материал. S-волны представляют собой сдвиговые волны или вторичные волны, которые являются поперечными волнами. В совместно рассматриваемой патентной заявке PCT/GB2009/002055, содержание которой включено в эту заявку путем ссылки, описывается, каким образом распределенную акустическую измерительную систему можно использовать для обнаружения P- и S-волн и проведения различия между ними. Обнаружение S-волн связанного образованием трещин события может позволить определять местоположение его. Как описывается в одновременно рассматриваемой заявке GB0919904.3, содержание которой включено в эту заявку путем ссылки, для определения местоположения связанного с образованием трещин события можно использовать многочисленные волокна и/или способы, основанные на времени прихода.
Далее следует отметить, что S-волна, являющаяся поперечной волной, имеет направление сдвига, соответствующее волне. Обнаружение различных составляющих S-волны позволяет определять ориентацию трещины. Это является особенно полезным, поскольку трещины в горизонтальной плоскости не являются предпочтительными, так как с учетом массы вышележащей породы закачиваемого песка обычно недостаточно для поддержания трещины раскрытой. Поэтому вертикальная трещина является предпочтительной. Для обнаружения ориентации S-волны можно разрешать в трех измерениях составляющие приходящей волны. Располагая одно или несколько волокон в трех измерениях, можно разрешать составляющие падающей волны. Как описывается в одновременно рассматриваемой заявке GB09119902.7, использование оптического волокна, которое реагирует преимущественно в одном направлении, позволяет разрешать составляющие акустической волны.
Разбуривание заглушки
После того как все этапы перфорирования и гидроразрыва пласта завершены, необходимо разбурить заглушки, которые были введены для изолирования секций скважины. Способ мониторинга можно использовать для направления бура к месту нахождения заглушки (как описывалось ранее, местоположение заглушек можно определять во время связанного с перфорированием события) и для мониторинга процесса разбуривания. Во время разбуривания звуковой сигнал из канала, находящегося возле заглушки, может громко воспроизводиться оператору бурения для предоставления в реальном времени обратной связи относительно того, как проходит разбуривание. Кроме того, в других каналах можно осуществлять мониторинг акустических возмущений, которые могут указывать на повреждение скважины.
Мониторинг притока
Для мониторинга флюида, такого как нефть или газ, втекающего в скважину из соседних пластов породы, обычно требуется намного большая чувствительность по сравнению с любыми предшествующими способами, такая же, какая должна иметься для характерного звука, создаваемого нефтью или газом при входе в обсадную трубу, то есть относительно бесшумного и едва различимого источника шума. Обнаружение и количественная оценка областей притока в скважину возможна с помощью анализа трехмерного массива данных об обнаруживаемой в течение периода времени активности в соответствии с расстоянием/глубиной, которую можно показать, используя двумерную водопадную карту энергии.
Представляющие интерес эффекты могут быть слабовыраженными и обычно могут проявлять себя как вариации структуры шума, а не как легко заметные признаки над шумом, которые видны при обнаружении перфорирования. Надежность и точность обнаружения можно повышать выделением областей, в которых энергия изменяется характерным образом. Дисперсионные статистические величины, а не энергия прямой волны из каждого канала, были исследованы на протяжении коротких периодов времени и использованы для получения признаков потока. Как можно видеть на фиг.5, этим способом более отчетливо отображаются область притока (помечена стрелкой) и диагональные структуры (выделенные пунктирной линией), обусловленные прохождением энергии или материала вверх по трубе.
Выше были описаны многочисленные способы мониторинга и параметризации, а различными характеристиками сигналов, представленными и проанализированными (частотным составом, амплитудой, отношением сигнала к шуму), наложен широкий спектр требований к измерительной установке. Однако вследствие большого динамического диапазона и относительно высоких скоростей выборок в распределенной акустической измерительной системе мониторинга описанные выше мониторинг и обработку можно выполнять, используя одну и ту же систему, схематично показанную на фиг.1.
Кроме того, и как упоминалось выше, конфигурацию каналов также можно изменять, и различные установки параметров каналов можно использовать для различных операций мониторинга. Кроме того, установки параметров каналов можно адаптивно регулировать в ответ на контролируемые данные, например, если значительная плотность трещин встречается на определенной глубине, то в течение периода времени до возвращения к исходной конфигурации каналов может быть желательным мониторинг на этой конкретной глубине с более высоким разрешением.
Таким образом, на протяжении всей последовательности работ в скважине, от перфорирования до притока флюида, полную программу мониторинга можно выполнять с помощью единственной системы. Систему можно выполнять с возможностью перехода от обнаружения одного типа к обнаружению другого типа в ответ на обнаруживаемые события, и можно адаптивно изменять параметры измерения и обработки данных для заданной активности мониторинга/обнаружения.
Кроме того, распределенную акустическую измерительную систему можно использовать в качестве средства связи со скважинными датчиками. В заявке US2009/0003133 на патент США описан способ передачи данных от скважинных датчиков и т.п. с использованием самой обсадной колонны в качестве акустической среды. Как вариант оптическое волокно можно использовать для приема кодированных акустических сигналов. Использование оптического волокна означает, что скважинные датчики могут формировать акустические сигналы с намного меньшей интенсивностью, при этом для формирования их требуется намного меньшая мощность. Поэтому можно продлить срок службы батареи для датчиков. В совместно рассматриваемой заявке GB2010/000602 описан акустический преобразователь, пригодный для использования в этой среде.
Должно быть понятно, что выше настоящее изобретение было описано только для примера, и модификация деталей может быть сделана в объеме изобретения.
Каждый признак, раскрытый в описании и (в соответствующих случаях) формуле изобретения и на чертежах, может быть определен независимо или в любом подходящем сочетании.