[发明专利]压裂监测

说明书

发明领域

本发明涉及对在诸如油和气井的生产井的形成期间的压裂进行监测。在这种井的形成中使用的步骤的监测和这种井在使用中的监测通常被称为井下监测。具体而言，本发明涉及使用分布式声学感测（DAS）的井下监测。

背景技术

光纤传感器正变成用于例如地球物理应用的广泛应用的已被大家接受的技术。光纤传感器可以具有各种形式，且常被采用的形式是在心轴周围布置光纤线圈。诸如地震检波器或水中地震检波器的点传感器可以以这种方式制成以检测一点处的声学和地震数据，且这种点传感器的大阵列可以连同使用光纤连接线缆而被复用以形成完全的光纤系统。无源复用可以全光学地实现，且优点在于不需要电连接，这在电学装置容易损害的苛刻环境中是有很大益处的。

已经发现光纤传感器在井下监测中的应用，且已知在井中或井周围提供地震检波器的阵列以检测地震信号，其中目标在于更好地理解局部地理状况和提取过程。这种方法的问题在于地震检波器倾向于相对大且所以难以在井下安装。另外，地震检波器倾向于具有有限的动态范围。

WO 2005/033465描述了一种使用具有很多周期性折射率扰动的光纤（例如布拉格光栅）的井下声学监测的系统。声学数据被光纤的部分检索到且用于在操作过程中监测井下状况。

压裂是被称为非常规井的一些油或气井的形成期间的重要过程，以激励来自岩层的油或气的流动。典型地，在岩层中钻出钻孔且内部衬有套管。套管的外部可以使用水泥填充从而在流动开始时防止含水土层等的污染。在非常规井中，岩层可能要求压裂以激励流动。典型地，这通过射孔接着是水力压裂的两阶段过程实现。射孔涉及射出来自套管内的一系列射孔弹（即聚能弹），该射孔弹产生通过套管和水泥延伸到岩层的射孔。一旦射孔完成，通过在高压下将诸如水的流体泵浦到井下，岩石被压裂。该流体因此被强制进入射孔且在达到足够压力时导致岩石的压裂。诸如沙子的固体微粒典型地被添加到流体中以打在形成的压裂中且保持它们开放。这种固体微粒被称为支撑剂。井可以在开始于距离井头最远的井区段（section）的一系列区段中射孔。因而，当井的区段被射孔时，它可以被堵塞器阻断，而井的下一区段被射孔且压裂。

压裂过程是非常规井形成中的关键步骤，且它是有效地确定井的效率的压裂过程。然而，压裂过程的控制和监测十分困难。流体和支撑剂的数量以及流速一般被测量以帮助确定何时已经发生足够的压裂且还在压裂过程中识别潜在的问题。

当环绕套管的水泥出现故障且流体简单地流到空隙中时发生一种已知为支撑剂冲蚀的可能问题。这浪费了支撑剂流体且防止了高效的压裂。高流速或流速中的突然增加可以指示支撑剂冲蚀。

另一问题涉及可能形成的这种情况：大多数流体和支撑剂经由一个或多个射孔流向岩层，防止了经由其他射孔位点的有效压裂。典型地，压裂过程针对井的片段执行，并且如上所述，若干射孔可以沿着该井区段的长度形成，使得后续水力压裂过程导致在沿着该井区段的很多不同位置处的压裂。然而，在水力压裂过程期间，一个或多个射孔位点处的岩石可能比其余射孔处的岩石更容易压裂。在这种情况中，正形成的压裂中的一个或多个可能开始获取大部分流体和支撑剂，从而减小在其他射孔位点处的压力。这可以导致其他射孔位点处的减小的压裂。增加流体和支撑剂的流速可以简单地导致在第一射孔位点处的增加压裂，这可以简单地放大压裂且对经由该压裂容纳多少油或气没有明显的影响。然而，在其他位点处的减小压裂可以减小经由那些位点容纳的油和气的数量，因而整体上不利地影响井的效率。例如，假设井的区段在4个不同位置处射孔以用于后续压裂。如果在压裂过程期间3个射孔位点相对容易压裂，则更多的流体和支撑剂将流向这些位点。这可能防止第四压裂位点不断形成足够的压力来有效地压裂，其中结果是仅3 个压裂延伸到岩层中以提供流动路径。因而，井的该区段的效率仅是期望的理想情况的75%。

如果怀疑这种情形，附加的较大的固体材料可以添加到流体中，该固体材料典型地是特定大小或大小范围的固体材料球。球的大小使得它们可以流入到相对大的压裂中，在那里它们将被嵌入以导致堵塞，但是它们又足够大而不干扰相对小的压裂。以这种方式，可能消耗大多数压裂流体的相对大的压裂在水力压裂过程期间被部分地阻断，其中结果是到所有压裂的流被平分。

常规地，压裂流体的流动状况被监测以试图确定一个或多个压裂位点是否正变得占主导且因而防止在一个或多个其他压裂位点处的有效压裂，但这是难以完成的且通常依赖于井工程师的经验。