[发明专利]定位诱导的地下岩层裂缝中的示踪支撑剂的与岩性和井眼状况无关的方法

说明书

技术领域

本发明涉及液力压裂操作，并且更具体地涉及使用基于中子发射的测井工具识别诱导的地下岩层裂缝的方法。

背景技术

为了更有效地从井下岩层且尤其是具有低孔隙率和/或低渗透率的岩层生产碳氢化合物，含碳氢化合物的岩层的诱导压裂(称为“压裂操作”、“液力压裂”，或简称“压裂”)已变成一种普遍使用的技术。在常见的压裂操作中，流体在高压力下被泵送到井下，导致岩层在井眼周围开裂，形成促进碳氢化合物流入井眼的高渗透率管道。这些压裂操作可在水平和偏斜以及竖向井眼中进行并在未加套管的井的区间中进行或在加套管井中通过孔进行。

例如，在竖井中的加套管井眼中，高压流体经由穿过套管和周围的水泥的孔离开井眼，并使岩层开裂，通常在通常发现油和气的更深的岩层中以薄且大致竖向的片状裂缝的形式开裂。这些诱导裂缝一般从井眼横向向周围的岩层中延伸相当大的一段距离，并且沿竖向延伸直到裂缝到达期望的裂缝区间上方和/或下方的不容易开裂的岩层为止。岩层内的最大和最小水平应力的方向决定诱导裂缝的方位角定向。通常，如果向井下泵送的流体(有时候称为浆料)不含当流体压力被释放时保持滞留在裂缝中的固体，则裂缝重新闭合，并失去获得的大部分可渗透管道。

这些固体，称为支撑剂，一般由沙粒或陶瓷粒子组成，并且用来将这些固体泵送到井下的流体通常被设计成具有足够的粘度，使得支撑剂粒子在流体向井下移动并进入诱导裂缝时保持被夹带在流体中。在产生开裂的岩层之前，也在压裂流体浆料中被向井下泵送的称为“破坏剂(breaker)”的材料在期望的延时之后降低压裂流体的粘度，使得能够在生产期间从裂缝容易地除去这些流体，从而将支撑剂粒子留在诱导裂缝中的适当位置，以保持裂缝不闭合并从而不会显著妨碍生产流体流通过其中。

在称为“水力压裂”的压裂操作中可使用低粘度流体将支撑剂置于诱导裂缝中。水力压裂中的压裂流体是带少量或不带聚合物或其它添加剂的水。水力压裂由于所使用的流体的较低成本而是有利的。同样，当使用交联聚合物时，重要的是，破坏剂是有效的，否则不能从裂缝回收流体，从而较大地限制了岩层流体的流动。由于流体不是交联的，所以水力压裂不依赖于破坏剂的有效性。

普遍使用的支撑剂是天然形成的沙、涂有树脂的沙以及陶瓷支撑剂。陶瓷支撑剂通常由天然形成的材料如高岭粘土和矾土制成，并且主要由于所制造的陶瓷的压缩强度及其高度球形粒子的构造而与沙和涂有树脂的沙相比提供了多个优点。

虽然诱导压裂在碳氢化合物储层的生产中已经是很有效的工具，但通常仍需要确定在压裂操作完成之后已开裂的区间。由于岩层内的异常或井眼内的问题(如无效或阻塞的孔)，期望裂缝区间内可能存在无效开裂的区域。还期望知道裂缝是否沿竖向延伸跨过整个期望裂缝区间，而且期望知道是否有任何裂缝已沿竖向延伸出期望区间。在后一情形中，如果裂缝已延伸到含水区域，则得到的水产物将是非常不符合要求的。在所有这些情形中，知道开裂的和未开裂的区域的位置对于在主井中规划补救操作而言和/或在利用为了在将来的备用井上规划压裂作业而获得的信息的过程中将是非常有用的。

过去已使用若干方法来帮助定位成功开裂的区间以及压裂操作中的裂缝的范围。例如，已使用声测井。声测井对裂缝的存在敏感，因为裂缝影响在岩层中传播的压缩和切向声波的速度和大小。但是，这些测井还受许多其它参数影响，例如岩石类型、岩层孔隙率、孔几何结构、井眼流体、井眼状况以及岩层中是否存在天然裂缝。另一种以前采用的基于声音的裂缝探测技术是使用“裂纹噪音”，其中紧接着压裂作业之后置于井下的声音传感器实际上在裂缝在压裂压力已被释放之后闭合时“监听”从裂缝发射的信号。此技术仅取得有限的成效，原因是：(1)与在压裂操作期间必须使传感器处于适当位置相关的后勤保障问题和机械问题，因为传感器必须几乎紧接着压裂操作结束之后被激活，以及(2)该技术利用在裂缝闭合时产生的声音，因此有效裂缝(其为已被支撑开启以防止闭合的裂缝)通常不会产生与来自未被支撑的裂缝的信号一样容易探测的噪音信号，这会产生误导性结果。

以前还利用位于地面的倾斜仪阵列来确定地下裂缝的存在。这些传感器可探测岩层上方的地表的轮廓在岩层开裂时的很微小变化，并且通常可解读在该阵列中的这些变化以定位开裂的区间。此技术实行起来极为昂贵，且一般不具备竖向分辨能力以便能够识别开裂区间内哪些子区间已开裂以及哪些子区间尚未开裂，且这种方法也不能有效地判断裂缝是否已沿竖向延伸到期望的竖向开裂区间之外。