CN105556061A - 通过套管钻井进行的裂缝评估 - Google Patents

Abstract

一种估计地层中的裂缝的方法包括：将声波工具设置在地层中的套管钻井中，所述声波工具包括多极声波发射器和声波接收器；将声波信号发射到所述钻井中；测量所述钻井周围的地层的远场区域中的深剪切波(DSW)信号，所述深剪切波(DSW)信号由反射在所述地层中的剪切体波产生；以及基于所述DSW信号至少估计所述地层中的裂缝的位置和朝向。

Description

通过套管钻井进行的裂缝评估

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月24日提交的美国申请第61/838656号的权益，并在此通过引用整体并入。

背景技术

烃类的典型回收方法是使含有或包括所述烃类的流体流出地层内的储集层，流入穿透所述地层的钻井。水力压裂和其他改造技术可应用于所述地层，以通过压裂地层和/或延长地层中现有的裂缝促进烃类的去除。对裂缝的范围、复杂性和朝向进行评估，对于有效地管理此类操作和评估水力压裂操作来说是很重要的。

发明内容

一种用于估算地层中裂缝的方法的实施例包括：在地层内的套管钻井中设置声波工具，所述声波工具包括多极声波发射器和声波接收器；将声波信号发射到所述钻井中；测量所述钻井周围地层远场区域中的深剪切波(DSW)信号，所述DSW信号由所述地层中反射的剪切体波产生；以及基于所述DSW信号至少估算地层中裂缝的位置和朝向。

一种用于估算地层中裂缝的装置的实施例包括：声波工具，其配置为设置在地层中的套管钻井中，所述声波工具包括多极声波发射器和声波接收器，所述声波工具配置为将声波信号发射到钻井中，并测量钻井周围地层远场区中的深剪切波(DSW)信号，所述DSW信号由所述地层中反射的剪切体波产生；以及处理器，其配置为基于所述DSW信号至少估算地层中裂缝的位置和朝向。

附图说明

以下描述无论如何都不应视作限制性的。参照附图，相同元件的编号相同：

图1示出了地层改造***的实施例；

图2示出了用于监测地层中地震活动的***的实施例；以及

图3为一个流程图，示出了用于评估地层中裂缝网的方法的实施例；

图4示出了示例性地层改造和评估操作的结果；

图5示出了图4的示例性地层改造和评估操作的结果；以及

图6示出了图4的示例性地层改造和评估操作的结果。

具体实施方式

提供了用于执行、评估和提高地层改造的***和方法。方法的一个实施例包括在水力压裂操作之前通过套管井或裸眼井进行深剪切波(DSW)成像和/或在水力压裂操作之后通过套管井进行深剪切波(DSW)成像，以评估操作的有效性和/或调整或改善裂缝模型和操作。

图1示出了地层12中烃类生产、改造和/或测量***10的示例性实施例的各个方面。***10包括设置在钻井16内的钻井柱14，诸如改造柱、电缆或其它载体，所述钻井16适于通过钻井降下工具或其它部件，或连接部件到地表面。本文中所用的术语“载体”是指任何设备、设备部件、设备组合、媒介和/或构件，所述任何设备、设备部件、设备组合、媒介和/或构件可以用来输送、容纳、支撑或以其它方式方便使用另一设备、设备部件、设备组合、媒介和/或构件。示例性非限制性载体包括套管、电缆、电缆探测器、钢丝探测器、下降铅球、井下接头、BHA(井底钻具组合)、压裂端口和钻柱。

在一个实施例中，***10被配置为一个液压改造***。如本文所述，“改造”可以包括任何将流体注入地层的操作。示例性改造***可配置为一个套管井或裸眼井***，用于引发裂缝和/或改造地层中现有的裂缝。流体可以是任何可流动的物质，诸如液体或气体和/或可流动的固体，诸如砂子。

在本实施例中，钻井16包括套管18，所述柱14包括促进地层12改造的一个或多个工具或部件。例如，所述柱14包括压裂组件20，所述组件包括，例如，注射喷嘴和机械阀装置，诸如压裂套筒和/或落球装置。所述柱14还可包括穿孔组件22。所述柱还可包括其它部件，例如一个或多个隔离或封隔器接头24。在图1所示的实施例中，所述***配置为使地层12改造，但并不局限于此。所述***可配置为执行各种功能，诸如井下测量和烃类生产。

一个或多个压裂组件20、穿孔组件22和/或封隔器接头24可包括配置为与表面处理单元通信和/或控制相应部件或组件的适当的电子元件或处理器。

在一个实施例中，***10为水力压裂***，所述水力压裂***包括与流体箱28或其它流体源流体连通的喷射装置(诸如高压泵26)。泵26将流体注入柱14，以将流体引入地层12中，例如，以改造和/或压裂地层12。

可以包括各种测量和/或控制装置，以监测和/或控制改造或水力压裂操作。例如，一个或多个流速和/或压力传感器30可设置成与泵26和柱14流体连通。传感器30可以定位在任何合适的位置，如靠近或处于泵26内，处于或接近井口。本文中所描述的传感器的类型是示例性的，因为各类传感器都可用于测量各种参数。

处理和/或控制单元32被设置成与至少传感器30和泵26可操作通信。处理和/或控制单元32配置为接收、存储和/或发送由传感器30和/或泵26产生的数据，且包括配置为分析数据和/或控制操作参数的处理部件。处理和/或控制单元32包括任意数量的适当部件，诸如处理器、存储器、通信装置以及电源。

图2示出了测量和/或监测***40的一个实施例。***40包括设置在地层46中的钻井44中的数据采集工具42。数据采集工具42配置为监测和/或收集与改造操作(诸如通过***10执行的操作)相关的数据。工具42可通过如图2所示的任何适当载体布置于井底、可被设置在地面(例如作为地面地震阵列的一部分)处，和/或配置为与其它井下或地面工具一起操作。在图2所示的实施例中，载体为电缆47，所述电缆47为工具42提供支撑并且还为井下工具10和地面处理单元48之间提供通信。在一个实施例中，在压裂操作(例如，通过***10执行)之前和/或在压裂操作之后工具42通过套管钻井设置于地层中以评估操作。应注意的是，尽管本文所述的实施例是与垂直井一起描述的，但并不仅限于此，因为它们可与水平井和/或具有水平段或其他偏离垂直方向的区段的井一起使用。

地层46可包括设置于岩缝中烃类或其它目标流体的储集层中。也示出了地层46中的多个岩石裂缝50。裂缝可为天然裂缝、由水力压裂引发的裂缝或它们的组合。数据采集工具42配置为测量地层46的特性，包括裂缝50的特征(例如，裂缝朝向、裂缝尺寸、裂缝密度、裂缝透光度或裂缝孔隙度)。由数据采集工具42执行的测量的非限制性实施例包括地震、声波、脉冲-中子、电阻率、放射性、勘测和成像。

在一个实施例中，工具42和/或***40配置为用于在压裂操作之前和之后进行地层12的声波监测。工具42包括声波单极和/或多极声波发射器52，所述发射器发射通常从发射器径向向外行进的声波能量脉冲。多个定向发射器可被设置于发射器52所示的位置处。一个或多个声波接收器54(诸如接收器54的轴向阵列)沿工具42定位。

工具42可配置为通过使用各种技术中的一个或多个评估地层。这种技术包括单极技术，诸如钻井声波反射勘测(BARS)。其它技术包括偶极技术，诸如交叉偶极成像和深剪切波成像(DSWI)。

钻井声波反射勘测(BARS)成像技术使用具有方位接收器的单极源以提供方向敏感度。钻井中的单极源产生多个模式(压缩波、剪切波和斯通利波)。为观察反射波状况，所有这些模式都受到抑制。单极工具通常局限于约10kHz的高频，由于地层衰减其可受到更为严重的局限。钻井声波反射勘测(BARS)成像技术使用P波，所述P波产生相对复杂的反射波场(反射的P-P和P-S以及折射的P-P和P-S)。

对于偶极配置，示例性工具42使用一个或多个将能量发送到钻井和地层中偶极源。例如，偶极源在远离钻井延伸的方向“x”上进行发送，所述方向“x”通常垂直或基本垂直于钻井和/或工具42朝向，并在此示例中描述为方向“z”。产生的弯曲波通常可反射且可提供出达到地层中约2至4英尺的读数。将远离钻井辐射的且更深入行进至地层中的波被称作体波，所述体波可被反射回钻井并被作为信号检测到，所述信号相对于反射的弯曲波信号要迟些到达且相对较弱。钻井周围的区域可被分为近场区域和远场区域，所述近场区域横向(例如，垂直于钻井轴线)延伸到远离钻井的第一距离，且所述远场区域从所述第一距离横向延伸到第二距离。在一个实施例中，近场区域从钻井延伸到弯曲波可延伸并返回可检测反射信号的最远距离，且远场区域延伸到更远的横向距离。

例如，发射器52包括偶极源，所述偶极源在地层中产生两种不同类型的剪切体波。垂直定向的剪切波(SV)与偶极源对准并在方向“x”上偏振，且水平定向的剪切波(SH)在方向“y”上偏振。从这些波反射回来的能量可为裂缝提供信息，在一个实施例中，所述裂缝被定向成使得反射裂缝和钻井轴线(例如，轴线z)之间的角度约为60度至70度或更小。

通过测量快速波速度和慢速波速度之间的差，交叉偶极测量提供关于剪切波在钻井周围的各向异性的信息。天然或改造裂缝导致钻井周围的方位剪切波的各向异性，所述剪切波可平行于钻井或与钻井相交。在交叉偶极测井过程中，由发射器引起的钻井弯曲波运动分为快速波和慢速波，所述快速波和慢速波由工具中的行内或行间接收器阵列接收。行内或行间接收器阵列获得两个行内和两个行间数据组，并利用阵列波形反演方法对所述数据组进行处理以给出各向异性的方位和幅度。

交叉偶极声波成像可用于检测在近场(例如，约2-4英尺)中天然裂缝和水力引发裂缝(即，水力裂缝)的垂直范围和横向范围以及方位角。各向异性的估计量给出了裂缝强度的测量值并且相关的方位角给出了裂缝走向的方向。使用交叉偶极声波测井无论通过裸眼井还是通过套管井均可测量出裂缝诱导的各向异性。一种考虑是套管井垂直井中的方位角测定包括使用陀螺仪，然而如果该井发生了偏离，那么钻井高侧(例如相对方位)可用作参考。

DSWI是一种运用产生于交叉偶极源的数据的处理技术。DSWI处理技术运用辐射到地层中且被地层中的裂缝反射回来的剪切体波。远场通常是距离钻井数十英尺且可延伸远至例如60英尺及更远。各向异性和方位角可用来估算天然裂缝和/或引发裂缝的位置、强度以及走向(方位角)。这种信息用于测定地层中的裂缝高度、裂缝长度以及裂缝范围。例如，在评估改造操作的结果中，DSWI可用于估算水力裂缝高度(HFH)以及水力裂缝长度(HFL)，和/或裂缝伸入远场或改造储层区域(SRA)的横向范围。在一个实施例中，DSWI不用于检测在井眼处产生的水力裂缝的高度。

DSWI处理技术仅具有一个必须受到抑制的直达波模式。另外，用于DSWI的偶极源以2-3kHz的低得多的频率进行操作，这使得勘探深度更加深入。此外，仅通过观察反射剪切波即可获得改进的结果，所述反射剪切波对裂缝具有更高的灵敏度。因此，DSWI可能比交叉偶极和其他成像技术以距套管钻井更远的距离实现有效成像。

DSWI技术可与用于裂缝评估的其他技术，例如超声波成像、斯通利渗透性分析，和来自交叉偶极的方位剪切波各向异性评估一起使用，这些技术通常研究钻井周围的有限区域，例如，2-4英尺。

在一个实施例中，当执行DSWI测量时，要考虑到各种条件。应具有良好的套管-水泥胶结，且流体必须位于钻井中。不良的套管-水泥胶结可产生套管弯曲波且污染地层“折射”而非反射体剪切波信号。优选地，地层为“快速”地层。偶极工具应位于钻井的中心。套管井内的偏心偶极工具可产生额外的非目标模式，使分析复杂化。

水力裂缝几何形状可影响DSWI。例如，除非钻井或工具轴线和裂缝(例如，裂缝在x-y平面上的垂直投影)之间的角度大于零，否则“在井眼处”产生的裂缝将不能使用DSWI成像，然而，仍可检测到各向异性。通常，如果钻井轴线与裂缝之间的角度不为零而是约60至70度或更小，那么与钻井相交的裂缝通过DWSI成像。相对于钻井，存在偏移且具有零度角的裂缝最适于成像。这种特征实现了远离钻井的复杂裂缝***的成像，这是因为由改造产生的剪切阻抗差能够被阐明。

图3示出了用于评估地层中的裂缝、评估压裂操作、对地层进行成像和/或地层中裂缝建模的方法60。方法60包括一个或多个阶段61至66。本文所述的方法60与处理器(例如，处理单元48和/或处理单元32)相结合，所述处理器接收与压裂操作相关的信号数据，但并不限于此，而是所述方法可结合任何数量的处理装置进行。在一个实施例中，按照所描述的顺序执行阶段61至66，然而，一些步骤可按照不同的顺序执行，或者一个或多个步骤可被省略。

在第一阶段61中，选择钻井的一个或多个区域或区段用于改造，例如，使用多种裸眼井测井操作。在一个实施例中，发现目的层后，将套管下入钻井内并用水泥固定。

在第二阶段62中，在改造或压裂之前，通过从多极源(例如，偶极源或发射器52)产生的声波信号对地层中的天然裂缝进行成像。在一个实施例中，通过套管井对天然裂缝进行成像。在另一个实施例中，通过裸眼井进行成像，然后可在改造操作前对裸眼井下套管。

通过使适当的测井工具(例如工具42)穿过套管井进行DSW成像，并对成像天然裂缝进行成像。DSW信息用于估算距井眼的远场内的天然裂缝和水力裂缝的走向定向的方位角。由DSW成像检测到的各向异性的量(在给定方向上的差异)给出了裂缝强度测量值，而方位角给出了裂缝走向的方向。任选地，诸如陀螺仪之类的工具可用于测量工具42的方位角。

在一个实施例中，DSW成像结合另一成像技术在远场中进行。例如，DSWI用于远场，而交叉偶极声波测量在近场中进行。使用具有陀螺仪的声波工具进行交叉偶极测井以测量套管钻井内的工具方位角。

在第三阶段63中，进行改造操作。例如，使用***10打孔形成钻井，且将流体泵送至钻井内以水力压裂地层。

在第四阶段64中，在水力压裂操作完成后重复DSW成像。该第二DSWI步骤可以用于评估压裂操作的有效性和/或评估所述地层(例如，通过对地层建模或改善现有模型)。

在一个实施例中，在压裂改造后，结合声波交叉偶极测井进行DSWI。可将这些压裂后成像结果与压裂前成像结果进行相比较。

在一个实施例中，压裂后成像用于计算水力裂缝高度(HFH)和水力裂缝长度(HFL)以及改造岩石区域(SRA)。这些计算可以沿主要方向(例如，N-S(北-南)和E-W(东-西))进行。

通过将DSW成像与交叉偶极各向异性结果(或其它近场成像技术)相结合，可在钻井周围的远场和近场两者中评估地层中裂缝的位置、朝向和大小。这就为压裂前后的裂缝强度和复杂性提供了更完整描述，并因此对压裂操作的有效性提供更完整的评估。

在第五阶段65中，对压裂前和压裂后图像加以比较以评估操作的有效性、生成地层的模型、和/或改善现有模型或图像。

在一个实施例中，对从压裂前和/或压裂后测量中估算的走向取向和方位角进行评估以估算天然裂缝和/或改造裂缝的数量和范围。此信息可用于评估压裂操作的有效性和/或对随后压裂操作进行调节。

在一个实施例中，所述测量用于生成或改善地层和/或裂缝的模型，例如，离散裂缝网络(DFN)模型、地质模型或地层的其它数学模型。例如，将压裂操作之前和之后所拍摄的图像用于重新评估地层的地质力学性能和/或创造新的模型。

DSW成像压裂前后结果可用于作为完井规划阶段的一部分的压裂改造建模和设计中。这种规划包括预测水力裂缝高度以及水力裂缝长度和/或远离钻井的改造储层区域。

现有软件通常使用基于同质地层的模型，但是也可以应用异质模型假定。从这里，DSWI能够为裂缝模型提供三个关键参数(HFH、HFL和SRA)，上述参数是对地层的真实反映。此过程去除了由数学建模假定所导致的至少一些不确定性且显著改善了水力压裂改造方案。

图4至图6示出了方法60示例性应用于莫瑞(Mowry)页岩(高硅质富含有机质的页岩)地层。所述示例描述了对地层的评估以获知莫瑞页岩的弹性性能，限定用于改善压裂改造设计的裂缝高度，以及限定莫瑞页岩改造岩石区域。

在此示例中，包括偶极发射器和接收器阵列的声波工具通过套管钻井运行。交叉偶极声成像结合陀螺仪测量如上所述进行，以评估近场内钻井周围的各向异性的量。深剪切波成像(DSWI)用于对远场内(即，距离钻井几十英尺)的地层中天然裂缝(包括裂缝的走向方位角)进行成像。在压裂改造后，再次进行交叉偶极和DSW成像以对水力裂缝高度(HFH)和水力裂缝长度(HFL)和/或它们进入远场或改造储层区域(SRA)的横向范围进行评估和成像。

图4至图6显示了由压裂前和压裂后的测量所产生的测井测量。压裂前各向同性由图4中曲线72和图5中各向异性图74所表示。图6包括示出了天然裂缝的北-南和东-西图像的记录部分76。明显的是，未检测到大量的各向异性或显著的天然裂缝。

由于水力压裂操作，DSWI确实显示出了显著的压裂，这由压裂后各向异性曲线78、压裂后各向异性图80和记录部分82示出。此结果表明HFH为约47英尺(ft)，SRA约为1550平方英尺以及HFL随深度变化。此示例表明，评估水力压裂改造结果可以在压裂改造前后使用DSWI通过套管有效地进行。

本文所描述的***和方法提供了与现有技术相比的各种优点，以建立离散裂缝模型。DSW通过比其它技术具有更大范围(例如，距离钻井50至60英尺或更多)的套管井实现了裂缝成像。所述***和方法还实现了在创建复杂裂缝几何形状过程中对压裂操作的有效性在更远的场中的认知。

此外，使用本文所描述的***和方法所生成的信息可以用于显著地改善地层裂缝建模以及改善压裂和改造设计。

通常，本文的一些教导简化为存储在机器可读介质上的一种算法。所述算法通过计算机或处理器(例如，处理单元32和/或处理单元48)来执行，并提供具有期望输出的操作符。

为了支持本文的教导，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟***。可在软件、固件、硬件或其任何组合中实施本文所述的装置、***和方法。所述装置可具有部件，诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线、无线、脉冲信号、光学介质或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(数字或模拟)以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器及其他)，从而以本领域公知的若干方法中的任一种提供本文公开的装置和方法的操作和分析。可以认为这些教导可以但并不必需与存储在计算机可读介质上的一组计算机可执行指令联合实施，所述计算机可读介质包括存储器(ROMs、RAMs)、光学介质(CD-ROMs)或磁介质(磁盘、硬盘驱动器)，或在执行时使得计算机实施本发明方法的任何其他类型。除本公开所述的功能外，这些指令还可用于设备操作、控制、数据收集和分析、以及***设计者、所有者、用户或其他此类人员视为相关的其他功能。计算机可执行指令可作为计算机***的一部分被包括在内，或者可以单独提供。

本领域的技术人员将认识到各种部件或技术可以提供某些必要或者有益的功能或特征。因此，视可能需要来支持所附权利要求及其变化的这些功能和特征，被视为实质地作为本文教导的一部分和公开的本发明的一部分而包括在内。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，应当理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可作各种改变且可用等价物替代其要素。此外，在不背离本发明的基本范围的情况下，许多修改将被本领域的技术人员所理解，以使特定的仪器、情况或材料适合于本发明的教导。因此，，本发明并不意欲局限于作为预期实施本发明的最佳方式所公开的特定实施例，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种估计地层中裂缝的方法，其包括：

在地层中的套管钻井中设置声波工具，所述声波工具包括多极声波发射器和声波接收器；

将声波信号发射到所述钻井中；

测量所述钻井周围的所述地层的远场区域中的深剪切波(DSW)信号，所述深剪切波(DSW)信号由所述地层中反射的剪切体波产生；以及

基于所述DSW信号至少估计所述地层中裂缝的位置和朝向。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述套管钻井中设置所述声波工具之前，在所述钻井中设置改造工具并且执行水力压裂操作。

3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括基于所述DSW信号和对所述裂缝的所述位置和所述朝向的所述估计来评估所述水力压裂操作。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法既在执行压裂操作前又在执行所述压裂操作后进行，以评估所述压裂操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，围绕所述钻井的所述地层区域包括近场区域和所述远场区域，所述近场区域包括可以反射并检测到弯曲波的区域，并且所述远场区域延伸超过所述近场区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多极声波发射器包括交叉偶极发射器，并且发射包括在所述远场区域中产生正交取向的剪切波。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，估计包括估计所述远场区域中的裂缝性质和所述远场区域中的地层各向异性。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括通过所述交叉偶极发射器诱导钻井弯曲波，并且估计所述近场区域中的裂缝性质和地层各向异性。

9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于所述裂缝的所述估计的位置和朝向产生地层裂缝模型。

10.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括产生所述地层的改造区域的模型，所述模型包括基于所述DSW信号估计的水力压裂特性。

11.一种估计地层中裂缝的装置，其包括：

声波工具，其配置为设置在地层的套管钻井中，所述声波工具包括多极声波发射器和声波接收器，所述声波工具配置为将声波信号发射到所述钻井中，并且测量所述钻井周围的所述地层的远场区域中的深剪切波(DSW)信号，所述深剪切波(DSW)信号由所述地层中反射的剪切体波产生；以及

处理器，其配置为基于所述DSW信号至少估计所述地层中的裂缝的位置和朝向。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述声波工具配置为在所述钻井中设置改造工具和执行水力压裂操作后，设置在所述套管钻井中。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理器配置为基于所述DSW信号和对所述裂缝的所述位置和所述朝向的所述估计对所述水力压裂操作进行评估。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述声波工具配置为设置在所述钻井中，并且既在执行压裂操作之前又在执行所述压裂操作之后测量DSW信号，而且所述处理器配置为通过比较所述压裂操作之前的裂缝性质和所述压裂操作之后的裂缝性质对所述压裂操作进行评估。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，围绕所述钻井的所述地层区域包括近场区域和所述远场区域，所述近场区域包括可以反射并检测到弯曲波的区域，并且所述远场区域延伸超过所述近场区域。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述多极声波发射器包括配置为在所述远场区域中产生正交定向的剪切波的交叉偶极发射器。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述处理器配置为估计所述远场区域中的裂缝性质以及所述远场区域中的地层各向异性。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述交叉偶极发射器配置为引发钻井弯曲波，并且所述处理器配置为估计所述近场中的裂缝性质和地层各向异性。

19.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理器配置为基于所述裂缝的所估计的位置和朝向产生地层裂缝模型。

20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述处理器配置为产生所述地层的改造区域模型，所述模型包括基于所述DSW信号所估计的水力压裂特性。