СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАНИЯ ТРУБНЫХ ВОЛН И МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
METHOD OF DIAGNOSTICS OF FORMATION HYDRAULIC FRACTURING PROCESSES ON-LINE USING COMBINATION OF TUBE WAVES AND MICROSEISMIC MONITORING

Настоящее изобретение относится к нефтегазовой области, в частности к мониторингу и контролю процессов, связанных со стимулирующей обработкой пласта.
Существующий уровень техники
Известны способы мониторинга, такие как микросейсмические исследования и исследования при помощи трубных волн.
1. Микросейсмические исследования
При возникновении в твердых телах резких перемещений разломов или зон ослабления прочности в результате воздействия напряжений создаются акустические волны с малой энергией. Такой выход энергии можно назвать выбросом акустической энергии, но в более общем случае, когда твердое тело представляет собой пласт земной коры, он получил название микросейсмического события. Микросейсмические события могут возникать в результате изменения давления жидкостей в пористой области пласта, что приводит к изменению распределения напряжений в породе и перемещению плоскостей ослабления прочности либо образованию гидроразрывов. Образующаяся в результате сейсмическая волна может рассматриваться как землетрясение очень малой силы.
Процесс гидроразрыва пласта приводит к образованию большого количества микросейсмических событий. Исследования показали, что информацию о направлении развития и размерах гидроразрыва можно получить из анализа микросейсмических событий, происходящих во время после образования гидроразрыва.
Известен способ анализа данных по микросейсмическим событиям с целью определения поляризации P-волн, вызванных каждым из этих событий, на основании чего определялось направление азимута события (Dobecki, SPE Paper 12110, 1983). При этом поляризация определялась по годограмме, то есть по графическому отображению показаний сейсмографа в одном направлении в зависимости от показаний сейсмографа в другом направлении. Расстояние от места события до скважины рассчитывалось из разницы во времени прибытия P-волны и S-волны к скважине и умножения этой разницы на коэффициент, учитывавший скорости соответственно P-волны и S-волны.
Микросейсмические исследования являются действенным инструментом мониторинга процессов гидроразрыва, имеющим, однако, определенные недостатки, связанные с природой явления микросейсмичности и современным уровнем развития техники.
- Во-первых, объемное разрешение микросейсмических событий ограничено (не менее 7,5 м) в результате воздействия шумов, несовершенства алгоритма обработки и особенностей системы наблюдений.
- Микросейсмические события не обязательно возникают в тех местах, куда поступают жидкости и расклинивающий агент (проппант), поскольку некоторые события вызваны высвобождением энергии в других областях пласта, а не вблизи гидроразрыва.
- Местоположения микросейсмических событий обладают повышенной чувствительностью к используемой модели скоростей P- и S-волн, в связи с чем модель скоростей необходимо рассчитывать перед проведением каждой конкретной работы.
- Микросейсмические исследования показывают, что происходит в пласте на определенном расстоянии от ствола скважины, но не показывают места вхождения жидкости из скважины в пласт, что затрудняет интерпретацию процессов, имеющих место вблизи ствола скважины.
- Микросейсмические исследования не позволяют определить ширину и проницаемость трещин.
- В случае образования сложной сети гидроразрывов первичные гидроразрывы, непосредственно связанные со стволом скважины, не определяются и, кроме того, не существует единого решения для сети гидроразрывов.
С учетом вышеперечисленных ограничений микросейсмических исследований можно сделать вывод о необходимости получения дополнительных данных при помощи других методик для более качественной интерпретации гидроразрывов.
Известны патенты и заявки, описывающие использование микросейсмических исследований для следующих целей:
- определение ориентации естественных разрывов (WO 2005/029130, Pinnacle),
- определение местоположения и исходной точки гидроразрыва (UK 2409723, Schlumberger),
- уточнение геологической модели с учетом разломов и разрывов (US 2008/0004847, Schlumberger),
- определение местоположения приемника в наблюдательной скважине (WO 2009/004333, Schlumberger).
Известны патенты, касающиеся различных способов обработки данных микросейсмических исследований с целью определения местоположения и параметров источников микросейсмических событий. Известен патент, описывающий устройство и способ определения местоположения микросейсмических событий (UK 2292802, Exxon). Известен патент, использующий способ пассивной (эмиссионной) микросейсмиеской томографии для определения местоположения микросейсмических событий (US 2008/0068928, Microseismic Inc).
Известны патенты, описывающие способ обнаружения и определения местоположения микросейсмических событий с использованием алгоритма СММ (US 7,391,675, Schlumberger), инверсии тензора момента с использованием только одной наблюдательной скважины (US 2009/0048783, Schlumberger).
Известны способы мониторинга гидроразрывов, включающие инклинометрию (US 5,934,373, Gas Research Institute) и компактные датчики с беспроводной связью или металлический проппант (US 2005/0183858, Schlumberger).
- Международная патентная публикация РСТ №WO 2005/029130 А2; 31 марта 2005 г.; Sorrels et al.; "Способы и системы определения ориентации естественных разрывов", зарегистрирована на Pinnacle Technologies. Способы, системы и технология изготовления по данному изобретению позволяют определять ориентацию естественных разрывов в земной мкоре, возникающих в результате работ, связанных с гидроразрывом. Изобретение позволяет получать информацию из профиля сигнала дальнего поля от точечного источника микросейсмического события в зависимости от времени. Ориентация естественного микросейсмического события определяется как функция времени на основе получаемых данных.
- Заявка на патент UK №2409723; 06 июля 2005 г.; Eisner et al.; "Микросейсмическое определение местоположения и времени возникновения разрыва, вызванного работами по гидроразрыву в углеводородной скважине", зарегистрирована на Schlumberger. Согласно способу мониторинга подземного пласта микросейсмические сигналы записываются группами трехкомпонентных сейсмоприемников, установленными в двух соседних скважинах. Для определения механизма, времени возникновения и местоположения источника сейсмической волны используется алгоритм инверсии волнового поля. Данный алгоритм не требует разделения сигналов на P- и S-волны перед инвертированием. Алгоритм оценивает величину функции Грина, использует существующую модель скоростей и разлагает тензор момента для определения параметров, характеризующих разрыв.
- Заявка на патент US №2008/0004847 А1; 3 января 2008 г.; Bradford; "Методика уточнения модели земной коры с использованием микросейсмических измерений", зарегистрирована на Schlumberger. Методика уточнения модели земной коры с учетом разрывов и разломов с использованием данных микросейсмических исследований на основе механических параметров выявленных разломов и разрывов путем применения критерия возникновения разлома к наблюдаемым микросейсмическим событиям, связанным с выявленным разломом или разрывом.
- Международная патентная публикация РСТ №WO 2009/004333 А1; 8 января 2009 г.; Eisner et al.; "Методика определения ориентации приемника в скважине", зарегистрирована на Schlumberger. Микросейсмический способ определения местоположения скважинного приемника с использованием получаемых сигналов от микросейсмических событий в по меньшей мере двух известных местоположениях.
- Заявка на патент UK №2292802; 06 марта 1996 г.; Bayley et al.; "Устройство и способ определения местоположения источника акустических волн в земной коре", зарегистрирована на Exxon Production Research Company. Раскрывается способ расчета местоположения источника сейсмической энергии относительно приемников, использующий данные от всех датчиков и функционал характеристики для минимизации погрешности определения местоположения. Также раскрывается упрощенный способ определения местоположения для случая, когда разрыв распространяется дальше выбранной глубины пласта.
- Заявка на патент US №2008/0068928 А1; 20 марта 2008 г.; Duncan et al.; "Способ пассивной сейсмической эмиссионной томографии", зарегистрирована на Microseismic Inc. Способ сейсмического картирования, включающий преобразования сейсмических сигналов, записанных в выбранных местоположениях, в массив возможных пространственных положений источника сейсмических событий. Пространственное положение и время источника, по меньшей мере, одного сейсмического события определяется на основе пространственного и временного распределения, по меньшей мере, одного атрибута преобразованных сейсмических данных.
- Патент US №7,391,675 В2; 24 июня 2008 г.; Drew; "Обнаружение и определение местоположения микросейсмических событий методом непрерывной проекционной миграции ", зарегистрирован на Schlumberger. Данное изобретение описывает способ и системы микросейсмического мониторинга гидроразрыва в режиме реального времени. Способы и системы по данному изобретению могут включать непрерывную проекционную миграцию зарегистрированных микросейсмических сигналов. Указанные способы и системы дают возможность надежного одновременного обнаружения и определения местоположения микросейсмических событий. Данный алгоритм реализован в разработанном компанией Schlumberger программном обеспечении для обработки результатов микросейсмических исследований eHFM.
- Заявка на патент US №2009/0048783 А1; 19 февраля 2009 г.; Jechumtalova et al.; "Способ мониторинга сейсмических событий", зарегистрирована на Schlumberger. Описывается способ микросейсмического мониторинга операции гидроразрыва или иных микросейсмических событий в углеводородных скважинах, включающий шаги получения многокомпонентных записей сигналов от одной наблюдательной скважины вблизи разрыва или события с последующим вращением наблюдаемых сигналов таким образом, чтобы они стали независимыми от, по меньшей мере, одного из компонентов тензора момента, представления механизма источника и осуществления инвертирования повернутых сигналов с целью определения остальных компонентов.
- Патент US №5,934,373; 10 августа 1999 г.; Warpinsky et al.; "Устройство и способ мониторинга подземных гидроразрывов", зарегистрирован на Gas Research Institute, Чикаго, штат Иллинойс. Описываются устройство и способ для измерения деформации слоя породы вблизи разрыва, как правило, вызванного гидроразрывом пласта. В скважине устанавливается большое количество инклинометров, которые используются для измерения деформации породы вокруг выбранного разрыва.
- Заявка на патент US №2005/0183858 А1; 25 августа 2009 г.; Ayoub et al.; "Средство и способ оценки геометрии подземного разрыва во время или после осуществления гидроразрыва", зарегистрирована на Schlumberger. Приводится способ гидроразрыва подземных пластов, включающий шаги а) закачки, по меньшей мере, одного устройства, активно передающего данные по положению устройства, с последующей оценкой геометрии разрыва на основе положений указанного, по меньшей мере, одного устройства, или б) закачки металлических элементов, предпочтительно, в качестве расклинивающих агентов, с последующим определением положения указанных металлических элементов при помощи инструмента, выбранного из группы, состоящей из магнетометров, приборов электрического каротажа сопротивлений и т.д., с последующей оценкой геометрии разрыва на основе положений указанных металлических элементов. Данный способ позволяет осуществлять мониторинг геометрии разрыва и местоположения расклинивающего агента.
Известны способы использования микросейсмических исследований для интерпретации данных о разрыве:
- SPE 77441, "Интегрирование технологий картирования гидроразрывов с целью повышения эффективности стимулирования скважин в газоносных сланцах Barnett Shale", Fisher et al., 2002; представлен новый способ оценки крупных массивов данных микросейсмических исследований на основе сочетания микросейсмических исследований с технологиями картирования разрывов на поверхности и в скважине, который позволяет оценивать полученные сети разрывов. Представлена корреляция между производительностью скважины и различными параметрами разрыва. Обсуждаются способы калибровки модели разрыва с учетом наблюдаемого поведения разрыва.
- SPE 102801, "Отображение сейсмической деформации, вызванной сложностью гидроразрыва", Maxwell et al.; показано, как можно оценить плотность сети разрывов по плотности сейсмического момента. Наблюдается корреляция объема стимулированного коллектора, умноженного на плотность сейсмического момента, с дебитом скважины.
- SPE 104570, "Использование индуцированных микросейсмических событий для мониторинга гидроразрыва пластов: инструмент для усовершенствования технологий завершения и управления коллекторами", Le Calvez et al., 2006; описано, как мониторинг микросейсмических событий может быть использован для оценки развития и геометрии разрыва, на двух примерах по различным пластам (сланцевый газ, газ плотных коллекторов и т.д.).
- SPE 110562, "Получение доступа к более обширной части газоносных сланцев Barnett Shale за счет интеграции микросейсмического мониторинга в режиме реального времени, физики пластов и разработки технологии гидроразрыва", Daniels et al., 2007; представлены исследования конкретных случаев из практики, показывающие, как использование картирования разрыва в режиме реального времени позволяет вносить оперативные изменения в используемую методику гидроразрыва. Картирование также позволяет изменять стратегию перфорирования и технологии повторной стимуляции для достижения максимального эффективного стимулированного объема (ESV). Кроме того, указанная работа приводит корреляцию между микросейсмической активностью с данными каротажа и показывает, как данные каротажа могут быть использованы для оценки геометрии разрыва. Указанные данные впоследствии используются для разработки эффективной технологии стимулирования, дающей наибольшую вероятность достижения максимального ESV и производительности.
- SPE 110813, "Новые аналитические методы, позволяющие скорректировать представление о микросейсмической активности, вызванной гидравлическим разрывом, и распространении гидроразрыва", Eisner et al., 2007; представлена новая методика определения местоположения микросейсмического события, позволяющая выявлять большее количество событий и показывающая, что исходные пробелы в выявляемой микросейсмической активности представляют собой артефакты, связанные с геометрией мониторинга. Кроме того, высокая плотность выявляемых микросейсмических событий позволяет определять скорость распространения системы гидроразрывов.
- SPE 114173, "Стимулирование нестандартных коллекторов: достижение максимального роста сети гидроразрывов при одновременной оптимизации проницаемости гидроразрыва", Warpinsky et al., 2008; описываются результаты стимулирования и микросейсмического картирования залежей сланцевого газа и газа плотных коллекторов. Микросейсмическое картирование показывает, что в пластах с низкой проницаемостью возможно создание сложных сетей гидроразрывов.
- SPE 119636, "Повторное стимулирование гидроразрывов газоносных сланцев Barnett с использованием новой системы избирательной закупорки", Potapenko et al., 2009; описана новая методика закупорки гидроразрывов и показано, как микросейсмический мониторинг в режиме реального времени позволил эксплуатирующим компаниям принимать информированные решения, влияющие на геометрию разрывов, повышать боковое покрытие и увеличивать извлекаемость газа.
- SPE 125237, "Характеризация сети гидроразрывов с использованием обработки и данных микросейсмических исследований в плотном газосодержащем пласте: геомеханический подход", Xu et al., 2009; описана полуаналитическая псевдотрехмерная геомеханическая модель сети гидроразрывов, разработанная с учетом сохранения массы закачанной жидкости и механического взаимодействия между разрывами и закачанной жидкостью, а также между самими разрывами.
- "Микросейсмическое отображение гидроразрыва с использованием двух групп сейсмографов", Maxwell et al., 2008 CSPG CSEG CWLS Convention; представлено сравнение точности результатов, получаемых при использовании одной наблюдательной скважины, с точностью результатов, получаемых при использовании двух наблюдательных скважин. Наблюдения с использовании двух скважин позволяют проверить усовершенствованную модель скоростей в дополнение к усовершенствованным методикам отображения источника с целью получения дополнительной информации о геометрии разрыва.
2. Гидроволны
Трубные волны представляют собой волны давления, распространяющиеся вдоль стенок скважины со скоростью, приблизительно равной скорости звука в жидкости. Препятствия в скважине, трубные секции с различными диаметрами, перфорации и открытые гидроразрывы характеризуются различным гидравлическим сопротивлением и играют роль отражателей для трубных волн. Гидравлический импеданс определяется как соотношение между пульсирующим давлением и пульсирующей величиной потока и может также трактоваться как акустическая жесткость среды. Свойства скважинных отражателей трубных волн можно интерпретировать с точки зрения их гидравлических импедансов. Глубину и импедансы отражателей можно определить, генерируя импульсы давления и измеряя время прохождения и амплитуды отраженных и прошедших волн. Эти свойства делают трубные волны эффективным способом мониторинга многостадийной обработки подземной формации: их можно использовать для определения глубины точки входа жидкости в пласт, определения связности ствола скважины с коллектором и, наконец, для определения местоположения препятствий внутри скважины.
В нефтяной промышленности трубные волны обычно применяются для определения характеристик гидроразрывов, в частности глубины, геометрических размеров, давления закрытия трещины и т.д. Методика, в которой трубные волны используются для определения глубины и давления закрытия трещины, называется измерением гидравлического сопротивления (HIT) и промышленно применяется компанией Pinnacle Technologies.
Сфера использования трубных волн для мониторинга при стимулировании пластов ограничена - на трубные волны влияют только те объекты, которые расположены вблизи скважины. Пространственное разрешение методики использования трубных волн ограничено дисперсией и затуханием сигнала в стволе скважины.
Известны патенты по использованию трубных волн для определения свойств гидроразрывов. В основном, они описывают различные способы определения геометрии гидроразрыва.
Известен Способ определения геометрии гидроразрыва (Патент US №4,802,144; 31 января 1989 г.; Holzhausen et al.; "Методика анализа гидроразрыва"), принадлежащий Applied Geomechanics Inc. В патенте описывается способ определения геометрии гидроразрыва (высоты, ширины и длины трещины) по результатам измерения волн давления путем сравнения их с пульсирующим поведением, предсказываемым математическими моделями. Также заявлено определение ориентации плоскости гидроразрыва, а также измерение сейсмического перемещения почвы над областью, в которой присутствует гидроразрыв. Также в нем заявлено использование возвратно-поступательных насосов в качестве источников пульсации.
Способ определения местоположения скважинных отражателей и их гидравлического сопротивления раскрыт в Патенте US №5,081,613; 14 января 1992 г.; Holzhausen et al.; "Способ обнаружения повреждения скважины и скважинных неоднородностей", зарегистрированном на Applied Geomechanics Inc. Способ включает создание свободных и вынужденных пульсаций давления в скважине. Измеренные задержки и резонансные частоты пульсаций используются для определения характеристического импеданса и глубины каждого отражателя в скважине после удаления резонансов, вызванных известными отражателями.
Известен Патент US №5,093,811; 5 августа 1991 г.; Mellor et al.;
"Исследование гидроразрывов с использованием методики резонансной развертки", зарегистрированный на British Petroleum Company. Способ определения высоты и длины гидроразрыва в скважине включает создание волн давления на близких частотах с помощью передатчика, устанавливаемого в устье скважины. После этого создается теоретическая модель системы скважина-гидроразрыв, параметры которой сравниваются с измеренными данными для определения высоты и длины гидроразрыва.
Патент US №5,170,378; 8 декабря 1992 г.; Mellor et al.; "Методика измерения гидравлического сопротивления", описывает определение высоты и длины гидроразрыва (зарегистрирован на British Petroleum Company). Длина гидроразрыва определяется по времени задержки между приходом волны, отраженной от устья гидроразрыва, и волны, отраженной от конца гидроразрыва. Патент относится к определению длины гидроразрыва, но в нем используются результаты Патента US №5,081,613 (Holzhausen et al.) для определения времени прихода волны, отраженной от устья гидроразрыва. В патенте также описывается методика создания импульсов давления путем открывания и закрывания клапана, установленного в устье скважины. Теоретическая модель отраженных волн создается путем представления системы скважина-гидроразрыв аналогично длине линий электропередач.
Патент US №5,206,836; 27 апреля 1993 г.; Holzhausen et al.; "Способ определения местоположения и размеров подземной структуры земной коры, пересекающей скважину", зарегистрирован на Gas Research Institute. В патенте описывается способ определения размеров и глубины гидроразрыва по его сопротивлению и заявлено определение давления закрытия трещины.
Патент US №6,724,687 В1; 26 октября 2000 г.; Stephenson et al.; "Описание нефтяных, газовых и геотермальных скважин, а также гидроразрывов", зарегистрирован на Halliburton Energy Services, Inc. В патенте заявлено исследование скважин путем инициирования возбуждения, создающего ответный сигнал, в котором содержатся низкочастотные и высокочастотные компоненты, причем указанная высокочастотная компонента содержит информацию об одной или более характеристик скважины. Области применения патента включают относительный поток жидкости через соответствующие перфорационные отверстия и определение геометрии и роста гидроразрыва.
- Заявка на патент US 60.1736, подана US NP 11/691,071; 26 марта 2007 г.; Miller, et al.; "Беспроводной каротаж заполненных жидкостью скважин", зарегистрирована на Schlumberger. В данной заявке описывается определение местоположения и мониторинг изменений условий скважинной среды путем регистрации, генерирования и анализа гидроволн в скважинной системе. Из короткого описания Патентного меморандума 60.1781, следует, что применения данного патента включают определение глубины отражения гидроволн. Однако в патенте не поясняется определение гидравлического импеданса отражателя. Подана в США.
- Заявка на патент US 60.1781, подана как US NP 11/962,190; 21 декабря 2007 г.; Miller, et al.; "Мониторинг, контроль и оптимизация скважинных процессов в ходе стимулирования", зарегистрирована на Schlumberger. Заявка содержит описание алгоритма подтверждения стратегии закупоривания путем мониторинга глубины отражения гидроволн до и после закупоривания. В заявке не раскрывается способ оценки эффективности пакера посредством измерения ее гидравлического сопротивления. Подана в США.
Известны также два патента, относящиеся к сочетанию трубных волн и сейсмических волн при исследовании пластов:
- Патент US №4,993,001; 12 февраля 1991 г.; Winbow, et al.; "Способ и устройство для преобразования трубных волн в объемные волны при сейсмических исследованиях", зарегистрирован на Exxon Production Research Company. В патенте раскрываются способ и устройство для преобразования трубных волн в объемные волны, включающие источник трубных волн в виде поворотной заслонки для создания трубных волн с разверткой по частоте, которые вводятся в трубопровод или скважину. После этого гидроволны преобразуются в объемные волны при помощи удлиненного по форме преобразователя трубных волн, установленного в выбранном положении в скважине. Указанный преобразователь трубных волн включая удлиненный по форме корпус, который, предпочтительно, заполняет значительную часть ствола скважины или трубы и имеет форму, предпочтительную для эффективного преобразования трубных волн в объемные волны в выбранном месте скважины.
- Заявка на Патент US №20060034152А1 (прототип); 16 февраля 2006 г.; Valery A. Korneev; "Сейсмическое отображение с использованием трубных волн ", зарегистрирована на Regents of the University of California. В исходной скважине при помощи источника создается трубная волна, которая проходит через исходную скважину, взаимодействует с геологическим объектом, проходит через геологический объект, переходит в виде трубной волны в принимающую скважину и принимается приемником(амии) либо в той же, либо в другой принимающей скважине. Показано, что трубные волны обладают повышенной чувствительностью к изменениям характеристик коллектора. Исследования показывают, что трубные волны наиболее эффективно взаимодействуют с теми коллекторами, в районе которых обсадные трубы скважин имеют перфорационные отверстия, обеспечивающие непосредственный контакт между жидкостью внутри обсадной трубы скважины и коллектором.
Краткое описание изобретения
Предлагаемое изобретение представляет собой способ мониторинга развития гидроразрыва в режиме реального времени, который дает возможность получать информацию, недоступную при использовании существующих приемов. Способ включает анализ результатов измерений, полученных с одновременным использованием двух методик: микросейсмических исследований, при которых микросейсмические события инициируются в ходе операции гидроразрыва, и отражения низкочастотных волн давления (трубных волн), инициированных и распространяющихся в стволе скважины и отражающихся от разрывов, препятствий в стволе скважины, сегментов завершения и т.д. Данное сочетание методик мониторинга дает одновременную информацию о сравнении влияния операции гидроразрыва пласта на задействованную породу на расстояниях, обычно составляющих от 15 м до 300 м от ствола скважины - с помощью микросейсмического мониторинга, с информацией о связи гидроразрыва и ствола скважины - с помощью мониторинга низкочастотных волн.
На основе совместного использования микросейсмических исследований и мониторинга гидроволн были разработаны следующие методики, являющиеся составными частями заявленного изобретения:
a) калибровка модели сейсмических скоростей, используемой для анализа распространения сейсмических P- и S-волн, на ранней стадии гидроразрыва;
b) определение с высоким пространственным разрешением точки входа (перфорационного отверстия или группы перфорационных отверстий), соединенной с сетью гидроразрывов, исследуемой при помощи микросейсмического метода;
c) отделение микросейсмических событий, создаваемых независимыми гидроразрывами, пересекающими ствол скважины, от микросейсмической активности, создаваемой сетью гидроразрывов в одной точке входа;
d) в некоторых случаях, оценка кривизны гидроразрыва (от продольной до поперечной и наоборот);
e) диагностика причины прекращения микросейсмической активности по длине ствола скважины, связанная с преждевременной закупоркой трещины до регистрации такого события показаниями манометра;
f) диагностика причины активности, возникающей вдоль определенного сечения ствола скважины (утечка в пакере-пробке, смещение уплотняющего шарика);
g) трубные волны, распространяющиеся в гидрогазрыве и отраженные от конца гидроразрыва, могут использоваться для отделения микросейсмических событий, имеющих место на конце гидроразрыва и гидравлически соединенных со стволом скважины, от микросейсмических событий, не связанных с гидроразрывом;
h) трубные волны, распространяющиеся в гидрогазрыве, могут также использоваться для определения геометрии гидроразрыва с более высоким пространственным разрешением по сравнению с микросейсмическим мониторингом, что позволяет выявлять плоскости гидроразрывов, развивающихся на более близких расстояниях, в случаях, когда микросейсмический мониторинг выявил бы только одну плоскость развивающегося гидроразрыва.
Совместное использование данных методик, а также интерпретации корреляций между результатами исследований дает возможность более точного определения начальной стадии появления трещины и сопутствующих явлений гидроразрыва пласта.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
Фигура 1. Пример одномерной модели скоростей P- и S-волн, используемых для определения местоположения микросейсмического события.
Фигура 2. Пример погрешностей определения времени возникновения и местоположения события до калибровки.
Фигура 3. Пример погрешностей определения времени возникновения и местоположения события после калибровки.
Фигура 4. Пример последовательности ориентации датчика и калибровки модели скоростей.
Фигура 5. Представление геометрии сети гидроразрывов по микросейсмическим данным (по работе SPE 77441).
Фигура 6. Пример развития микросейсмической активности а), которая может быть вызвана двумя эквивалентными моделями распределения точек входа б) и в).
Фигура 7. Представлены две различные формы пульсаций давления:
отражение от открытого гидроразрыва приводит к появлению в спектре нечетных гармоник а); отражение от песчаной пробки в скважине приводит к появлению в спектре четных гармоник б); положения отражателей, нанесенные на картину развития микросейсмической активности в).
Фигура 8. Зависимость сигнала, отраженного от элемента отражения, от соотношения диаметров утечки и элемента отражения.
Описание изобретения
1. Ориентирование сейсмического датчика и калибровка модели скоростей распространения сейсмических волн
Микросейсмические события регистрируются при помощи трехкомпонентных сейсмографов, устанавливаемых в скважинах. Ориантация указанных трех компонентов должна быть известной, для того чтобы можно было надлежащим образом определять азимуты направлений микросейсмических событий. Для калибровки ориентации датчика обычно используются события с известными азимутами, например взрывы через перфорационные отверстия (выстрелы перфораторов) или калибровочные взрывы в обрабатываемой скважине.
Модели скоростей P- и S-волн, используемые для определения местоположения микросейсмического события, обычно создаются на основе диаграмм акустического каротажа. В результате одномерная модель состоит из горизонтальных слоев, имеющих разные скорости (фиг.1). Кроме того, обычно учитывается анизотропия среды, что приводит к различию скоростей для различных азимутов. Анизотропия сильно влияет на местоположения микросейсмических событий, в связи с чем перед проведением работ необходимо провести калибровку. Опять же, для калибровки используются взрывы через перфорационные отверстия или калибровочные взрывы в обрабатывающей скважине. Микросейсмический сигнал, вызванный взрывом через перфорационное отверстие, регистрируется группой сейсмографов и обрабатывается, в результате чего определяется местоположение события. Модель скоростей калибруется путем сравнения полученного местоположения события с действительным местоположением взрыва через перфорационное отверстие, которое известно. В процессе такой подгонки обычно корректируются только параметры анизотропии - эпсилон, дельта и гамма, но иногда также приходится корректировать и сами скорости. На фиг.2 и 3 приводятся примеры изменения параметров анизотропии до и после калибровки.
Основным недостатком такой процедуры ориентирования датчика и калибровки модели скоростей является необходимость осуществления взрывов через перфорационные отверстия или калибровочных взрывов в обрабатывающей скважине. Это связано с определенными сложностями, особенно при повторном стимулировании скважины, когда взрывы через перфорационные отверстия не входят в планируемые работы. В предложенном изобретении эти недостатки устранены за счет того, что при получении гидроразрыва первые по времени события расположены напротив открытых перфорационных отверстий. Такие события сами по себе могут быть использованы для калибровки за счет использования гидроволн, отраженных от открытых перфорационных отверстий.
Пример последовательности операции приводится на фиг.4. Применение трубных волн для калибровки модели скоростей сейсмических волн может быть еще более эффективным, если сейсмические волны создаются преобразователем трубных волн, расположенным в выбранном положении в скважине. В качестве такого постоянного эталонного источника сейсмических волн может служить пакер-пробка специальной конструкции. В этом случае модель скоростей можно калибровать с использованием большого количества событий, что должно дополнительно повысить точность калибровки. Кроме того, модель можно легко перекалибровать в любое время в процессе работы.
2. Определение с высоким пространственным разрешением точки входа (перфорационного отверстия или группы перфорационных отверстий), соединенной с сетью гидроразрывов, исследуемой при помощи микросейсмического метода
На фиг.5 изображен типичный пример данных, получаемых после интерпретации результатов микросейсмического исследования. Если микросейсмические события вызваны гидроразрывом, то невозможно надежно картировать плоскости гидроразрыва и сети гидроразрывов (фиг.5). Кроме того, необходимо помнить, что местоположение микросейсмического события определяется с погрешностью порядка 6 м. При такой погрешности точное количество гидроразрывов, которые соединяются со стволом скважины (иногда называются "первичные гидроразрывы"), по данным одних только микросейсмических исследований также невозможно определить. А 6 метров - это расстояние, сравнимое с расстоянием между естественными разрывами в сланцевых породах (Xu et al., определение расстояния между естественными разрывами от 1,3 м до 48 м в газоносных сланцах Barnett), поэтому в некоторых пластах рекомендуется соединить со стволом скважины параллельные разрывы, расположенные на расстоянии в пределах 6 м.
Обычно для определения точки входа в гидроразрыв группы микросейсмических событий переносят методом ортогональной проекции на ствол скважины, как показано на фиг.6 а). В этом случае общее время работы разбивается на фиксированные отрезки времени, после чего распределение микросейсмической активности строится для каждого временного отрезка в виде цветного изображения. Такое представление информации дает представление о развитии микросейсмической активности вдоль ствола скважины с течением времени и может коррелироваться с группами перфорационных отверстий для определения точки входа в гидроразрыв. Однако при этом подразумевается, что в таких породах, как сланцы, разрывы имеют резко нелинейный и непредсказуемый вид, в результате чего возможно неправильное определение точки входа из ствола скважины в разрыв. Погрешность определения местоположения точки входа может иметь серьезные последствия, например, в случаях, когда оператор устанавливает пакер-пробку с целью изоляции перфорационных отверстий, которые уже соединены с гидроразрывом. Не зная, какое перфорационное отверстие действительно соединено с гидроразрывом, и вследствие этого, неправильно установив пакер-пробку, можно либо изолировать перфорационные отверстия, которые не стимулируются, что в результате приведет к отсутствию стимулирования секции скважины, либо к неизоляции перфорационных отверстий, которые соединены с гидроразрывом, в результате чего жидкость перейдет в следующую секцию.
На фиг.6 а) изображено наложение распределения микросейсмических событий в ортогональной проекции вдоль ствола скважины в процессе операции гидроразрыва и двух возможных распределений точек входа, изображенных на фиг.6 б) и в), которые могли вызвать указанные события. Из предварительных моделей отраженных трубных волн видно, что отраженные импульсы позволяют определить многочисленные положения точек входа с высоким пространственным разрешением. Таким образом, мониторинг скважин при помощи трубных волн в процессе гидроразрыва позволяет определить, вызвана ли группа микросейсмических событий смешанным стимулированием одно или двух групп перфорационных отверстий, а также точно определить местоположение таких групп перфорационных отверстий.
Данная информация может быть использована для различных целей при выработке стратегии стимулирования скважины (место установки пакера-пробки, повторной стимуляции и т.д.). Кроме того, число гидроразрывов, непосредственно соединяющихся со стволом скважины, влияет на продуктивность. Способность определить число гидроразрывов, непосредственно соединяющихся со стволом скважины, позволяет повысить прогноз продуктивности при гидроразрыве сланцевых пород.
3. Диагностика причины прекращения микросейсмической активности по длине ствола скважины связанной с преждевременной закупоркой трещины до регистрации такого события показаниями манометра
Проппант, накапливающийся в скважине в ходе операции гидроразрыва, может закупорить скважину, тем самым ограничивая поток и приводя к резкому повышению давления (экранирование, преждевременная остановка ГРП или скрин-аут). Рост давления и прекращение микросейсмической активности являются признаками экранирования, но они наступают уже после закупоривания и не могут использоваться для раннего обнаружения.
На фиг.7 изображены два события пульсации давления, вызванные изменениями величины потока, зарегистрированными а) до и б) после экранирования, а также соответствующие положения отражателей в), наложенные на график эволюции микросейсмической активности. Пульсации давления на фиг.7а) соответствуют отражению трубных волн от открытого гидроразрыва: последующие пики имеют противоположную полярность, в результате чего на спектре появляются нечетные гармоники. Отражения от проппантной пробки в скважине проявляются по-другому: последующие пики имеют одинаковую полярность, в результате чего на спектре появляются четные гармоники. Экранирование скважины, определяемое по отражениям трубных волн и по увеличению давления гидроразрыва, также подтверждается данными микросейсмических исследований на фиг.7в). Этот эффект можно использовать для ранней диагностики экранирования:
периодические импульсы позволяют выявить накопление проппанта посредством гармонического анализа спектра или мониторинга изменений картины отражения.
4. Диагностика причины активности, возникающей вдоль определенного сечения ствола скважины (утечка в пакере-пробке, смещение уплотняющего шарика)
Возможен и обратный вариант применения: сочетание трубных волн и микросейсмического анализа позволяет понять причину возникновения микросейсмической активности в определенной секции скважины. Примерами могут служить изоляция секции скважины пакером-пробкой и закупоривание перфорационных отверстий уплотняющими шариками.
а. Пакер-пробка
При многостадийной обработке после установки пакера-пробки для изоляции секции скважины предполагается отсутствие микросейсмической активности в скважине на интервале между пакером и забоем. Если в этом интервале после установки пакера-пробки появляется или не прекращается микросейсмическая активность, необходимо точно определить ее причину, т.е. находится ли утечка в самой скважине (например, пакер-пробка негерметична) или же в пласте (например, вследствие некачественной изоляции зон, вызванной микрозазором между обсадной колонной и цементным камнем).
На фиг.8 изображена зависимость амплитуды сигнала, отраженного от пакера-пробки, от соотношения диаметра утечки, полученного по результатам моделирования распространения трубных волн в скважине. Если уплотнение работает нормально (отсутствие утечки, ось Y), то 100% сигнала отражается от уплотнения (пакера-пробки). По мере увеличения диаметра утечки все большая часть сигнала проходит через уплотняющий элемент и не отражается. Кривую наподобие изображенной на фиг.8 можно использовать в качестве калибровочной кривой для оценки эффективного диаметра утечки в пакере-пробке. Зная эффективный диаметр утечки, можно приступать к исправлению более информированно.
б. Уплотняющий шарик
При многостадийной обработке, когда для изоляции секции скважины используются уплотняющие шарики, предполагается отсутствие микросейсмической активности в скважине на интервале закупорки указанными шариками. Если в этом интервале все еще наблюдается микросейсмическая активность, необходимо точно определить ее причину, т.е. является ли утечка следствием некачественного блокирования перфорационного отверстия уплотняющим шариком или выпадением уплотняющего шарика из перфорационного отверстия n, в которое он был установлен, либо причина утечки находится в пласте (например, вследствие некачественной изоляции зон, вызванной микрозазором между обсадной колонной и цементным камнем).
По аналогии с примером пакера-пробки определить причину утечки можно при помощи отражения трубных волн. Когда перфорационные отверстия закупорены уплотняющими шариками, сигнал не отражается, однако при наличии утечки трубная волна отражается от гидроразрыва. Амплитуда отраженной волны будет максимальной в случае полностью незакупоренной группы перфорационных отверстий. Кривую, построенную на тех же принципах, что и на фиг.8, можно использовать для оценки эффективного диаметра утечки и определить, были ли уплотняющие шарики установлены правильно, но не обеспечивают полной изоляции, либо же шарик выпал из перфорационного отверстия.
В обоих примерах а) и б) правильное определение причины утечки позволяет принять правильные меры к ее устранению.