[发明专利]基于现场中子活化分析确定地下地层中的裂缝几何形态的方法和工具

说明书

相关申请的交叉引用和优先权要求

本申请要求2008年11月11日提交的美国申请序号12/268,856的权益，其是2006年8月9日提交的共同待决申请序号11/501,575的部分继续申请，两者都被整体地通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及用于确定诸如在用于由和天然气生产的钻井中找到的地下地层中的裂缝几何形态的方法。

背景技术

可以通过使地层(formation)致裂以便刺激地层中的碳氢化合物的流动来增加来自地下地层的诸如气和石油的碳氢化合物的产出。现在使用各种地层致裂程序，诸如其中将液体、气体和/或两者的组合在高压下注入到地层中的水力致裂(通常用压力支撑剂)。

水力致裂常常在工业中被用于改善来自地下地层的油和天然气生产。在水力致裂操作期间，通常称为“前置液(pad)”的流体被以足够的压力沿着井泵送以使井周围的地层开裂或致裂打开。一旦已经建立裂缝，则开始前置液连通包括液体和支撑剂两者的泥浆相的泵送，直至足够体积的支撑剂已被泥浆载送到裂缝中。在适当的时间之后，停止泵送操作，这时，支撑剂将支撑打开地层中的裂缝，从而防止其关闭。作为裂缝的结果，被捕集的碳氢化合物通过更具有传导性的通道被提供给先前获得的井筒，从而增加井的产量。除建立深穿透的裂缝之外，致裂过程在克服井筒损坏方面是有用的，以帮助二次操作并辅助生产的地层盐水或工业废料的注入或处理。

在致裂过程期间，裂缝通过地层传播。这些裂缝的垂直传播在确定裂缝覆盖的程度时是有用的，因为其涉及生产区间。裂缝高度测量帮助井操作者确定致裂操作的成功，并且在必要时针对现场中的其它井使未来的处理最优化。另外，裂缝高度信息能够帮助诊断刺激问题，诸如较低生产速率或不适宜的控水量(water cut)。裂缝高度数据能够指示在生产地层与相邻的水或非碳氢化合物生产地层区之间是否已经建立连通。高度测量还提供对在作业之前使用的裂缝设计模拟器的准确度的检查以预测裂缝几何形态。如果确定了过度的裂缝高度生长，则这将意味着裂缝长度比设计的值短。

如上所述，用于监视裂缝的垂直传播的一个原因是用于使限定的碳氢化合物生产区的外部致裂成相邻的产水区。当这发生时，水将流入碳氢化合物生产区和井筒中，导致主要生产水而不是碳氢化合物的井。此外，如果仍期望继续从该井生产碳氢化合物，操作者必须解决安全地处理掉不期望的水的严重问题。解决来源于区外裂缝的问题还将增加操作的费用。另外如果裂缝传播到相邻的非碳氢化合物生产地层，则在生产地层区域外面的区域中可能浪费用来在流体压力已经降低之后保持裂缝的材料。简而言之，高效地操作碳氢化合物生产区之外的已被致裂的井是昂贵的。

由于可能由于作为区外裂缝后果而发生的严重问题，期望的是确定地层裂缝发展。已知用于监视和评估地层裂缝发展的多种技术和设备，诸如致裂流体中的放射性示踪剂、温度测井记录(log)、钻孔电视、无源声学装置和伽马射线测井。大多数技术在井筒处提供致裂区高度的某些直接估计。

用来确定地层裂缝高度发展的一个已知处理采用放射性示踪剂。在此处理中，包含放射性示踪剂的致裂流体被注入到地层中以建立并扩展裂缝。当使用这些放射性流体和支撑剂示踪剂时，裂缝后伽马射线测井记录已经显示出与示踪剂被沉积之处相反的较高的活动水平，从而使得操作者能够估计被支撑裂缝的垂直发展。

用于确定裂缝高度的另一方法使用温度和伽马射线测井记录。比较在刺激之前和之后完成的温度测井记录以限定通过致裂流体的注入被冷却的区间并因此提供致裂区的估计。然而，这种技术受到限制和不确定。例如，温度测井可能由于低温度对比度、处理之前和之后的来自地层的回流或钻孔套管后面的流体移动而难以解释。另外，放射性示踪剂的使用可能引起诸如地下水流的污染等环境问题，并因此是不期望的。

用于评估裂缝几何形态的其它已知方法包括使用钻孔电视或使用声学方法。利用钻孔电视受到限制，因为其只能被用于开放孔中的裂缝高度评估。另外，利用钻孔电视由于存在于较深完井中的极端温度和压力条件而受到限制。声学方法受到非均值地层阻抗和/或对在工具处于井筒中的同时对泵送的需要的牵制。