RU2693087C2 - Мониторинг скважины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для мониторинга процессов в скважине. Техническим результатом является повышение эффективности получения информации из скважины. В частности, предложен способ скважинного мониторинга, содержащий: опрашивание немодифицированного оптического волокна, расположенного по траектории ствола скважины для получения распределенных акустических измерений; одновременно взятие выборки данных, собираемых из множества смежных участков волокна; и обработку данных для определения одного или нескольких параметров ствола скважины. Причем обработка данных включает в себя обнаружение отклика на акустическое воздействие, при этом акустическое воздействие возбуждает акустические колебания, по меньшей мере, на секции скважины и причем параметр является профилем состояния, по меньшей мере, секции скважины. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к мониторингу эксплуатационных скважин, таких как нефтяные и газовые скважины. Такой мониторинг часто именуют скважинным мониторингом. В частности, настоящее изобретение относится к скважинному мониторингу с использованием распределенных акустических измерений.

Волоконно-оптические датчики становятся общепризнанным техническим средством в ряде случаев применения, например, в геофизике. Волоконно-оптические датчики можно изготавливать в различном исполнении, и общепринятым является устройство с катушкой волокна вокруг сердечника. В таком исполнении можно изготавливать точечные датчики, такие как геофоны или гидрофоны для обнаружения акустических и сейсмических данных в точке, и большие группы таких точечных датчиков можно мультиплексировать с использованием оптоволоконных соединительных кабелей для образования полностью волоконно-оптической системы. Пассивное мультиплексирование можно получать полностью оптически, и преимущество состоит в том, что не требуются электрические соединения, что является весьма предпочтительным в неблагоприятной окружающей среде, где электрооборудование может повреждаться.

Волоконно-оптические датчики находят применение при скважинном мониторинге, и известно расположение группы геофонов в скважине или вокруг нее для обнаружения сейсмических сигналов с целью получения лучшего понимания локальных геологических условий и процесса добычи. Проблемой такого подхода являются большие габариты геофонов, что делает их установку в скважине затруднительной. Кроме того геофоны, как правило, имеют ограниченный динамический диапазон.

В документе WO 2005/033465 описана система скажинного акустического мониторинга с использованием волокна, имеющего ряд периодических возмущений показателя преломления, например, брэгговских решеток. Акустические данные выводят из волокна по частям и используют для мониторинга условий в скважине.

Задачей настоящего изобретения является создание улучшенных систем и способов скважинного мониторинга.

Согласно первому аспекту изобретения создан способ скважинного мониторинга, содержащий опрашивание немодифицированного оптического волокна, расположенного по траектории ствола скважины для получения распределенных акустических измерений; одновременно, выборку данных, собираемых с множества смежных участков волокна; и обработку данных для определения одного или нескольких параметров ствола скважины.

Распределенные акустические измерения предлагают альтернативный волоконно-оптическим измерениям точечными датчиками способ, в соответствии с которым оптически опрашивают отдельный отрезок продольного волокна, обычно с помощью одного или нескольких входных импульсов, для выполнения, по существу, непрерывных измерений акустической/вибрационной активности по его длине. Оптические импульсы запускают в волокно, и рассеиваемое обратно изнутри волокна излучение обнаруживают и анализируют. Большей частью обнаруживают рэлеевское обратное рассеяние. Путем анализа рассеиваемого обратно изнутри волокна излучения, можно эффективно разделять волокно на множество дискретных измерительных участков, которые могут быть (а могут и не быть) смежными. В пределах каждого дискретного чувствительного участка механические вибрации волокна, например, от акустических источников, вызывают изменение количественного показателя рассеивающегося обратно с этого участка излучения. Данное изменение можно обнаруживать и анализировать, и использовать для определения количественного показателя интенсивности возмущения волокна на данном измерительном участке. Используемый в данном описании термин «распределенный акустический датчик» должен означать датчик, содержащий оптическое волокно, оптически опрашиваемое для установления множества дискретных акустических измерительных участков, распределенных продольно вдоль волокна, а под термином «акустический» следует понимать механическую вибрацию любого вида или продольную волну, в том числе сейсмические волны. Поэтому способ может содержать запуск серии оптических импульсов в указанное волокно и обнаружение рэлеевского излучения, рассеиваемого, обратно волокном, а также обработку рассеиваемого обратно рэлеевского излучения для установления множества дискретных продольных измерительных участков волокна. Отмечаем, что использование в данном документе термина «оптический» не означает ограничения видимым спектром, и оптическое излучение включает в себя инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение.

Отдельный отрезок волокна обычно является одномодовым волокном и, предпочтительно, не имеет каких-либо зеркал, отражателей, решеток или (в отсутствие любого внешнего воздействия) изменения оптических свойств по длине. Этим создается преимущество возможного использования непрерывного отрезка немодифицированного стандартного волокна, по существу, требующего незначительно модификации или подготовки или не требующего их вовсе для использования. Пример подходящей системы распределенных акустических измерений описан в документе GB2442745, содержание которого включено в данный документ в виде ссылки. Такой датчик можно рассматривать, как полностью распределенный или внутренний датчик, поскольку в нем используется собственное рассеяние, присущее оптическому волокну, а функция измерения распределена по всему оптическому волокну.

Поскольку волокно не имеет разрывов, длину и расположение отрезков волокна, соответствующих каждому каналу, определяют опрашиванием волокна. Их можно выбирать в зависимости от физической структуры волокна и скважины, мониторинг которой им осуществляют, и также согласно типу требуемого мониторинга. В данном способе расстояние вдоль волокна, или глубину в случае, по существу, вертикальной скважины, и длину каждого отрезка волокна или разрешение канала, можно легко изменять настройками опрашивающего устройства, изменяя длительность или коэффициент заполнения входного импульса без изменений в волокне. Распределенные акустические измерения могут работать при длине продольного волокна 40 км или больше, например, с разрешением данных измерений на отрезках длиной 10 м. В типичном скважинном варианте применения длина волокна в несколько километров является обычной, т.e. волокно проходит по длине всего ствола скважины, и разрешение канала продольных измерительных участков волокна может иметь порядок 1 м или нескольких метров. Как упомянуто ниже, пространственное разрешение, т.e. длину индивидуальных измерительных участков волокна и распределение каналов можно изменять во время использования, например, в ответ на обнаруживаемые сигналы.

Оптическое волокно предпочтительно размещают в стволе скважины, подлежащей мониторингу. В одном устройстве оптическое волокно проходит вдоль внешней поверхности скважинной обсадной колонны, хотя волокно можно прокладывать в обсадной колонне в некоторых вариантах осуществления. В случае размещения на внешней поверхности обсадной колонны оптическое волокно можно прижимать к скважинной обсадной колонне при спуске последней в ствол скважины, и затем цементировать по месту в цементируемых секциях скважины.

Волокно может, при этом, следовать общей траектории ствола скважины и проходить, по меньшей мере, в ствол скважины на глубину зоны, подлежащей мониторингу, предпочтительно, по существу по всей длине ствола скважины. Волокно можно, поэтому, опрашивать для создания одного или, предпочтительно, множества, акустических измерительных участков, расположенных вдоль всего ствола скважины, участка или участков ствола. Места установки или места расположения измерительных участков, представляющие интерес, должны, в общем, быть известны по длине вдоль волокна и, значит, скважины. Вместе с тем, когда выполняют некоторые скважинные технологические операции, такие как перфорирование во время строительства скважины, способ может содержать мониторинг акустических возмущений в волокне, генерируемых технологической операцией, например, перфорированием, для определения участков волокна в таких представляющих интерес секциях в скважине. Например, участки волокна, демонстрирующие акустическое возмущение самой большой интенсивности во время перфорирования, должны, в общем, соответствовать месту отстрела зарядов перфоратора.

Способ настоящего изобретения можно использовать для определения, по меньшей мере, одного параметра ствола скважины. По меньшей мере, один параметр ствола скважины может представлять собой профиль состояния скважины. Профиль состояния скважины может представлять собой акустический профиль одной или нескольких секций скважины или всего отрезка длины скважины. Акустический профиль можно получить по измерениям акустических сигналов, определяемых датчиком распределенных акустических измерений в ответ на акустические воздействия. Акустические воздействия могут представлять собой воздействия, применяемые специально с целью определения акустического профиля. В некоторых случаях возможно дополнительное или альтернативное использование акустических воздействий, генерируемых по ходу строительства или эксплуатации скважины в нормальном режиме. В частности, этап перфорирования в строительстве скважины включает в себя отстрел одного или нескольких зарядов перфоратора. Отстрел создает интенсивные акустические воздействия, что можно использовать для получения акустического профиля скважины на стадии заканчивания.

Параметры ствола скважины можно получать в режиме реального времени. Режим реального времени, как термин, используемый в настоящем описании, означает отсутствие значительного запаздывания между обнаружением акустического сигнала волокном и генерированием параметра ствола скважины. Способ может включать в себя создание, в общем, точного представления акустических сигналов, в текущее время обнаруживаемых распределенным акустическим датчиком.

Кроме определения различных параметров ствола скважины, при использовании, акустические сигналы от одного или нескольких релевантных отрезков волокна можно проигрывать на подходящем аудио устройстве. Это должно давать персоналу, работающему на скважине, или придавать конкретному скважинному процессу, звуковую обратную связь, показывающую явление, фактически происходящее в скважине. Оператор, слушающий сигналы, получаемые по акустическому каналу волокна, может, таким образом, быть обеспечен в режиме реального времени передачей обратной звуковой связи акустического возмущения в скважине.

Должно быть ясно, что условия в глубине ствола скважины могут быть неблагоприятными. Поэтому, размещение конкретного датчика в стволе скважины, особенно во время строительства скважины, однозначно считается непрактичным. В способе настоящего изобретения используют волоконную оптику, которую можно размещать на внешней поверхности скважинной обсадной колонны для создания датчика в стволе скважины, работающего во время строительства скважины, а также во время последующей добычи нефти /газа.

Способ может содержать анализ уровней интенсивности акустических возмущений, обнаруживаемых в скважине.

Акустическую информацию с различных измерительных участков волокна можно отображать на подходящем дисплее. Существуют различные способы отображения интенсивности выбранных каналов. Например, дисплей может показывать для каждого канала текущую интенсивность, максимальную интенсивность и/или среднюю интенсивность акустических сигналов в заданном или выбранном временном периоде в конфигурации гистограммы. Дополнительно или альтернативно, индикация в режиме реального времени может содержать водопадный график, представляющий интенсивность с помощью цветовой или серой шкалы, и построение графика интенсивности для каждого канала относительно времени.

Способ может также обеспечивать выполнение частотного анализа по данным, и индикация в режиме реального времени может содержать индикацию частоты акустических сигналов, обнаруживаемых, по меньшей мере, одним продольным участком волокна в окрестности скважинного процесса. Индикация частоты может содержать график с конфигурацией гистограммы текущей, максимальной или средней частоты на канале и/или водопадный график с частотой, представленной цветной или серой шкалой, такой как описано выше. В случае, если способ включает в себя разделение данных от продольных измерительных участков волокна в одной или нескольких спектральных полосах, индикация может дополнительно или альтернативно содержать индикацию интенсивности в конкретной полосе частот. Другими словами, данные можно фильтровать для включения в состав только акустических возмущений в частотном диапазоне конкретной полосы. Анализ данных по спектральной полосе может давать более четкую индикацию акустических отличий между различными каналами в некоторых ситуациях.

С представлением интенсивности и/или частоты выбранных каналов оператор может получать возможность определять, имеется ли значительная активность в любом конкретном канале.

Создание звуковой индикации данных от датчика распределенных акустических измерений и/или создание индикации интенсивности и/или частоты данных обеспечивает передачу полезных данных обратной связи, которые можно быстро генерировать без чрезмерных затрат на обработку.

Способ может также содержать обнаружение переходных процессов, особенно, переходных процессов относительно высокой частоты в акустическом сигнале.

Способ может также содержать использование данных, по меньшей мере, от одного другого датчика в другом месте. По меньшей мере, один дополнительный датчик может представлять собой другой волоконно-оптический датчик распределенных акустических измерений, например, датчик распределенных акустических измерений, установленный в существующей скважине в окружающей области и/или датчик распределенных акустических измерений в стволе параметрической скважины, пробуренной по соседству и/или датчик распределенных акустических измерений, размещенный на поверхности или вблизи поверхности общей области, такой как датчик, зарытый в траншее. Объединение данных от многих различных датчиков, установленных в разных местах, может обеспечивать определение точки возникновения или, по меньшей мере, общей области возникновения акустических возмущений.

В дополнительном аспекте изобретения создана система скважинного мониторинга, волоконно-оптическое опрашивающее устройство, выполненное с возможностью создания распределенных акустических измерений на немодифицированном волокне, проложенном вдоль траектории ствола скважины; устройство взятия выборки, выполненное с возможностью взятия выборки вывода данных множества каналов из опрашивающего устройства одновременно для получения акустических данных от множества смежных участков волокна в каждый из множества отрезков времени; и анализатор данных, выполненный с возможностью обработки данных выборки для обнаружения скважинных событий и вывода параметров, соответствующих обнаруживаемым событиям.

Изобретением также предусмотрен процессор, компьютерная программа и/или компьютерный программный продукт для осуществления любого из способов, описанных в данном документе и/или для осуществления любых признаков устройств, описанных в данном документе и машиночитаемый носитель, хранящий программу для осуществления любого из способов, описанных в данном документе и/или для осуществления любых признаков устройств, описанных в данном документе.

Изобретение распространяется на способы, устройство и/или варианты использования, по существу, описанные в данном документе со ссылками на прилагаемые чертежи.

Любой признак в одном аспекте изобретения может быть применен в других аспектах изобретения в любой приемлемой комбинации. Конкретно, аспекты способов можно применять к аспектам устройства и наоборот.

Кроме того, признаки, реализованные в аппаратном обеспечении, можно, в общем, реализовать в программном обеспечении и наоборот.

Любые ссылки на программное обеспечение и аппаратное обеспечение в данном документе следует толковать соответственно.

Ниже описаны предпочтительные признаки настоящего изобретения, только в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На Фиг. 1 показано устройство для мониторинга скважины с использованием распределенных акустических измерений.

На Фиг. 2 показан вывод данных системы Фиг. 1.

На Фиг. 3 показана схема представления связанного с перфорированием события при мониторинге по варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 4 показаны этапы сейсмического обнаружения и параметризации для мониторинга образования трещины.

На Фиг. 5 показаны результаты улучшенного мониторинга притока с использованием статистики вариантности.

Волоконно-оптический кабель 102 проложен вдоль траектории ствола скважины, в представленном примере, газовой скважины, сухопутной или морской. Скважина выполнена, по меньшей мере, частично с металлической эксплуатационной обсадной колонной 104, установленной в ствол 106 скважины, в настоящем примере с заполнением пространства между внешней стенкой обсадной колонны и стволом цементом 108. Эксплуатационная обсадная колонна может быть выполнена из многочисленных секций, соединенных вместе, и в некоторых случаях секции должны иметь отличающиеся диаметры. При этом, диаметр обсадной колонны может постепенно уменьшаться к забою скважины. Как можно видеть на Фиг. 1, в данном примере волокно проходит через цементное заполнение и фактически прижато к внешней поверхности металлической обсадной колонны. Обнаружено, что оптическое волокно, связанное в данном случае при проходе через цементное заполнение, демонстрирует акустический отклик на некоторые события, отличающийся от отклика несвязанного волокна. Связанное оптическое волокно может давать лучший отклик, чем несвязанное, и, таким образом, в некоторых вариантах осуществления связывание волокна в цементе является предпочтительным. Разницу отклика связанного и несвязанного волокна можно также использовать в качестве индикатора повреждения цемента, что может являться полезным, и описано ниже.

Волокно выходит из оборудования устья скважины и соединяется с блоком 112 опрашивающего устройства/процессора. Блок опрашивающего устройства инжектирует свет в волокно и воспринимает рассеиваемое обратно излучение из волокна по его длине. Конкретная форма введенного света и способность взятия выборки/обработки блока обеспечивает одновременный вывод данных многочисленных каналов передачи данных, каждого канала, соответствующего акустическим данным, воспринимаемым на конкретном отрезке волокна на конкретном расстоянии по волокну. Хотя блок опрашивающего устройства/процессора показан здесь, как один блок, в аппаратном обеспечении может быть выделен, например, блок опрашивающего устройства, передающий необработанные выходные данные на ПК или портативный компьютер, обеспечивающий возможность обработки данных.

Пример возможной конфигурации вывода данных с устройства Фиг. 1 показан на Фиг. 2. Здесь на верхнем графике 202, показан номер канала (и, следовательно, глубина для, по существу, вертикальных скважин) по оси y, где ноль представляет канал, самый близкий к поверхности. Показано 400 каналов. Время отображено на оси х, как номер кадра, для создания «водопадного» графика, непрерывно обновляющегося с получением новых данных. Обнаруживаемая интенсивность энергии показана цветом или серой шкалой на верхнем графике 202 с использованием шкалы, показанной справа, для создания двухмерной визуализации распределения акустической энергии по всей длине измерений волокна на каждом из ряда моментов времени. Центральный график 204 показывает те же данные после прохождения обнаружения переходных процессов, описанного более подробно ниже, и нижний график 206 показывает частоту обнаруживаемых переходных процессов согласно шкале справа от графика. Устройство является таким, что данные получают из всех каналов в каждом периоде взятия выборки. В центральном графике 204 и нижнем графике 206 глубина от 0 до 4000 м показана по оси y, а время от 0 до 10000 с по оси х.

Предложено использование системы, описанной выше, для мониторинга различных событий в скважине, включающих в себя перфорирование, установку заглушки и/или пакера, гидроразрыв пласта, вымывание проппанта и прохождение потока текучей среды. Кроме того, система может создавать общий мониторинг условий и в некоторых устройствах может также обеспечивать связь с датчиками в скважине.

По обычной технологии добычи, после того, как скважина пробурена и установлена обсадная колонна (и одно или более волокон установлены вдоль траектории ствола скважины), скважину перфорируют для обеспечения притока в нее добываемого газа или текучей среды, такой как нефть или вода. Для перфорирования обычно используют кумулятивные заряды, спускаемые в скважину в «перфораторе» и отстреливаемые на необходимой глубине и с нужной ориентацией. Заряд пробивает обсадную колонну и разрушает примыкающую породу (и материал заполнения, такой как цемент, если он присутствует).

Затем, текучую среду, такую как вода, закачивают в скважину под высоким давлением. Данная текучая среда, при этом, нагнетается под давлением в перфорационные каналы и, по достижении достаточного давления обуславливает гидроразрыв породы по линиям напряжений с низкой прочностью для создания и увеличения проницаемых путей для входа газа или других текучих сред в скважину. Твердые частицы, такие как песок, обычно добавляют в текучую среду для размещения в образованных трещинах и для удержания их открытыми.

После создания группы трещин на одном уровне, может понадобиться создание другой группы трещин на другом уровне. При этом в скважине устанавливают заглушку для изоляции проперфорированной секции скважины. Перфорирование и гидроразрыв пласта затем повторяют на другом уровне.

Данный процесс повторяют до завершения образования всех необходимых трещин. Затем можно разбурить заглушки и спустить эксплуатационную колонну насосно-компрессорных труб в ствол скважины. Можно установить пакеры между эксплуатационной колонной насосно-компрессорных труб и обсадной колонной для закрытия зазора между ними. Фильтры и/или гравийные фильтры можно установить в местах перфорации там, где прогнозируют приток, для фильтрования нефти/газа.

После заканчивания начинается эксплуатация скважины, в процессе которой добываемый продукт входит в обсадную колонну из примыкающих пластов породы и транспортируется на поверхность.

Мониторинг перфорирования

В одном варианте настоящего изобретения датчик распределенных акустических измерений используют для мониторинга связанного с перфорированием события. Мониторинг связанного с перфорированием события, может служить, по меньшей мере, двум отдельным целям. Прежде всего, можно определять местоположение перфорации. Контроль точного направления перфорации в стволе скважины может являться затруднительным, и поэтому обнаружение местоположения перфорации может помогать контролю и планированию выполнения дополнительного перфорирования. Возможность обнаружения связанных с перфорированием событий описана ниже. Также, акустическую сигнатуру связанного с перфорированием события можно сравнивать с некоторыми прогнозируемыми характеристиками для выяснения, удовлетворительно ли проведено перфорирование.

В дополнение к мониторингу самой перфорации, связанное с перфорированием событие является относительно высокоэнергетическим событием, возбуждающим акустические колебания на значительной части ствола скважин, т.e. в обсадной колонне, цементировании, любых установленных заглушках и т.д. Акустический отклик на связанное с перфорированием событие обеспечивает составление и оценку акустического профиля ствола скважины.

Выборку акустических данных производят в диапазоне между 0,2 Гц и 20 КГц по длине пробуренного ствола во время связанного с перфорированием события. Мониторинг присутствующей в каждом канале энергии осуществляют либо с помощью полосового фильтра и последующего расчета среднеквадратичной энергии, или выполняя быстрое преобразование Фурье и суммирование мощности между высокочастотным и низкочастотным диапазоном (обычно это 512 точечное быстрое преобразование Фурье с 50% перекрыванием, отфильтрованное между 300 и 5КГц, если такое практически возможно с учетом использованной частоты взятия выборки). Можно получить двухмерный массив данных обнаруживаемой энергии по времени и глубине (или положению).

Дополнительная обработка массива данных с помощью идентификации пиков выявляет, что импульсный сигнал перфорирования проходит вверх и вниз по скважинной обсадной колонне, а также в горную породу. При этом, можно построить график описанной выше энергии, и можно идентифицировать трассу, отслеживая прохождение импульса, показанное на Фиг. 3.

Можно измерить градиент идентифицируемой трассы, поскольку он является скоростью прохода сигнала энергии через скважинную обсадную колонну. Это дает количественный показатель скорости передачи в среде. Это можно использовать для указания отличающихся областей скважинной обсадной колонны по изменяющимся в них скоростям передачи. Это может указывать на проблемы крепления обсадной колонны, или проблемы в конструкции самой обсадной колонны.

Автоматизированный алгоритм прослеживания можно использовать для вычисления скорости изменений энергии на данной трассе и определения участков, где скорость изменяется.

В одном варианте осуществления алгоритм может работать при допущении, что событие, представляющее интерес, является гораздо значительнее событий нормального состояния скважины, так что пик энергии, идентифицированный, как событие, связанное с перфорированием, можно надежно идентифицировать. Затем пик может быть соотнесен с последовательными временными интервалами с возможностью расчета средней скорости за 1, 2, 3, ... 10 с. С дополнительными усовершенствованиями можно трассировать многочисленные пики одновременно (полезно для распознавания основного импульса в случае многократных отражений).

Дополнительное рассмотрение Фиг. 3 показывает явные точки отражения энергии. Данные точки возникают на соединениях в обсадной колонне и могут давать инженеру информацию, касающуюся качества соединений по длине обсадной колонны. В любом месте, где имеется значительное рассогласование в материале, может возникать частичное отражение, и чем больше рассогласование, тем больше коэффициент отражения. Другие повреждения материала, такие как трещины или изъязвление могут значительно влиять на прохождение энергии вдоль обсадной колонны и волокна, и могут быть идентифицированы с использованием данного способа.

Например, можно оценивать состояние цемента, окружающего обсадную колонну. Акустическая характеристика цемента может отличаться в областях, где в цементе имеются значительные пустоты, либо получившиеся при цементировании или в результате предыдущего связанного с перфорированием или связанного с гидроразрывом события. Пустоты в цементе могут вызывать проблемы, поскольку при проведении последующего перфорирования в области пустоты при закачке проппанта в ствол скважины проппант может попадать не в перфорационные каналы в породе, а в пустоту, приводя к потере значительных количеств проппанта и останавливая строительство скважины на время устранения проблемы.

Как упомянуто выше, отклик несвязанного волокна отличается от отклика связанного волокна и, следовательно, если волокно само проходит через пустоту в цементе, и, таким образом, является несвязанным в данной области, акустический отклик здесь должен значительно отличаться. Таким образом, настоящее изобретение может включать в себя обнаружение пустот в цементе, окружающем обсадную колонну.

Данным способом можно также оценивать установку и состояние заглушек. Если заглушка размещена неправильно или установлена не полностью или ослаблена, она может отказать во время следующего этапа гидроразрыва пласта.

Должно быть понятно, что с использованием данного способа можно построить профиль состояния скважины, предоставляющий данные по обсадной колонне, цементированию и заглушкам, если последние имеются. Можно периодически осуществлять мониторинг профиля состояния для информирования операторов на различных стадиях во время эксплуатации скважины. Профиль состояния скважины не обязательно должен ограничиваться периодами времени, относящимися к связанному с перфорированием событию, и можно создавать надлежащие альтернативные акустические воздействия в нужные моменты времени.

Мониторинг проппанта

После выполнения перфорирования в скважину подают проппант, обуславливая гидроразрыв пласта. Как упомянуто, вместе с тем, в некоторых случаях проппант может не проходить в породу, и может возникать вымывание проппанта. Подача проппанта в нормальных рабочих условиях должна, в общем, проходить с некоторой скоростью и некоторой характеристикой. Если проппант находит другой путь или прекращает правильное проведение гидроразрыва, гидродинамические условия в скважине могут изменяться. Можно, поэтому, осуществлять мониторинг акустического отклика во время подачи проппанта для обнаружения любых значительных изменeний.

Мониторинг образования трещин

Сейсмические события и связанные с образованием трещин события, представляющие интерес, в силу своей природы имеют свойства, заметно отличающие их от непрерывного шума потока, обусловленного нагнетанием под высоким давлением воды и песка в процессе гидроразрыва. В общем, такие события отличаются кратковременностью и импульсивностью и в дальнейшем именуются событиями переходных процессов. Методика, рассматривающая кратковременные изменения в отрыве от средних переменных величин (детектор переходных процессов), должна выделять такие события из фонового и длиннопериодического шума. Общий способ обработки показан на Фиг. 4.

С помощью обработки принятых акустических данных для освещения событий переходных процессов данным способом, можно обнаруживать и наблюдать событие образования трещины, и можно определять следующие параметры:

- Глубину, на которой происходит образование трещины, можно определить согласно каналу, на котором обнаруживают связанное с образованием трещин событие.

- Скорость возникновения трещин или плотность расположения трещин гидроразрыва можно определить согласно количеству и/или интенсивности обнаруживаемого образования трещин за определенный временной период или в интервале глубин.

- Количественный показатель величины трещины можно определить согласно измеренной протяжености трещины, а также ширины трещины, определяемой числом каналов, на которые влияет одно событие.

- Оценку дальности прохождения от скважины можно выполнять на основании частотных характеристик связанного с образованием трещины события. Для получения одиночного частотного параметра можно использовать среднюю частоту спектральной формы события. Другие частотные параметры, которые можно определять, включают в себя статистические величины второго порядка, такие как асимметрия и эксцесс.

Для идентификации переходных процессов среди других фоновых данных количественный показатель кратковременной изменчивости сравнивают с нормальной или средней изменчивостью для данного канала.

В настоящем примере этого достигают с помощью совокупности статистических величин, представляющих среднюю энергию и среднее абсолютное отклонение от среднего (среднее абсолютное отклонение: среднее абсолютной разности текущего значения и среднего значения).

Данные две статистические величины обновляют путем экспоненциального усреднения при каждом приеме новых данных для обновления с использованием члена затухания, N.

Средние данные = ((N-1)/N)*средние данные + (1/N)*новые данные

Среднее абсолютное отклонение = ((N-1)/N)*данные среднего абсолютного отклонения(1/N)*абсолютное значение (новые данные -средние данные)

Где данные сначала подвергают быстрому преобразованию Фурье и, при этом, вычисления выполняют в расчете на каждый канал и в каждом интервале частот.

Уровень переходного процесса затем определяют следующим образом:

абсолютное значение |новые данные - средние данные|/среднее абсолютное отклонение

Это дает значение, определяющее то, насколько изменчивость конкретного интервала частот выше его средней изменчивости. Таким образом, каналы высокой изменчивости являются саморегулирующимися, и учитываются только избыточные и необычные изменения. Изменяя значение N, алгоритм можно настраивать для обнаружения событий переходных процессов различной длины. Обычно используют множители 4, 6, 8, ... 128, но они зависят от требуемой продолжительности переходных процессов и скорости быстрого преобразования Фурье системы. При выполнении этого процесса в частотной области, получают высокий уровень управления на частотах, используемых для образования события переходного процесса, и данные спектрального состава переходного процесса рассчитывают и сохраняют для выделения признака.

Алгоритм адаптивно выбирает экспоненциальный множитель в зависимости от того, инициирован ли переходный процесс. При повторном вычислении средних и усредненных значений, если интервал частот превышает пороговое значение обнаружения, должно использоваться отличающееся значение N (в данном примере использовано 100N), означающее, что событие переходного процесса включено в состав общей статистики со значительно сниженной частотой в сравнении с нормальными событиями.

Можно также осуществлять мониторинг места связанных с образованием трещины событий для обеспечения картографирования раскрытия трещин или плотности расположения трещин гидроразрыва. При обычном эксплуатационном обустройстве на одном нефтяном или газовом месторождении может находиться несколько скважин. В идеале каждая скважина осуществляет добычу на отдельной части месторождения. Вместе с тем, возможно прохождение трещин, созданных из одной скважины в область трещин, созданных из другой скважины. В данном случае добыча новой скважины может не увеличивать общую добычу, поскольку добыча в новой скважине уменьшает добычу в старой скважине. Поэтому мониторинг мест образования трещин является необходимым. Использование системы распределенных акустических измерений дает возможность обнаружения и мониторинга местоположения связанных с образованием трещины событий в режиме реального времени, таким образом, обеспечивая контроль процесса гидроразрыва пласта.

Неожиданно было обнаружено, что системы распределенных акустических измерений можно использовать для раздельного обнаружения P- и S-волн. P-волны (волны давления или первичные волны) являются продольными волнами, распространяющимися через твердый материал. S-волны являются сдвиговыми волнами или вторичными волнами, то есть поперечными волнами. Патентная заявка одновременного рассмотрения PCT/GB2009/002055, содержание которой включено в данный документ в виде ссылки, описывает возможное использование системы распределенных акустических измерений для обнаружения P и S волн и их распознавания. Обнаружение S-волн связанного с образованием трещины события может обеспечивать надлежащее определение местоположения. Для определения местоположения связанного с образованием трещины события можно использовать многочисленные волокна и/или методики, учитывающие время вступления, описанные в публикации заявки одновременного рассмотрения GB0919904.3, содержание которой включено в данный документ в виде ссылки.

Дополнительно должно быть отмечено, что S-волна, являющаяся поперечной волной, должна иметь направление сдвига, соответствующее волне. Обнаружение различных компонентов S-волны должно обеспечивать определение ориентации трещины. Это является особенно полезным, поскольку образование трещин в горизонтальной плоскости не является предпочтительными, поскольку закачиваемый песок является, в общем, недостаточным для поддержания трещины открытой под действием веса вышележащей породы. Поэтому, предпочтительным является образование вертикальной трещины. Для обнаружения ориентации S-волны приходящая волна может быть разложена на составляющие в трех измерениях. Располагая одним или несколькими измерительными волокнами в трех измерениях, падающую волну можно разложить на составляющие. Использование волоконной оптики с предпочтительным откликом на сигнал в одном направлении может помогать разложению падающей акустической волны на составляющие, как описано в заявке одновременного рассмотрения GB0919902.7 (конструктивное исполнение кабеля), содержание которой включено в данный документ в виде ссылки.

Мониторинг притока

Мониторинг притока текучей среды, такой как нефть и газ в скважину из соседних пластов породы обычно требует гораздо большей чувствительности, чем в любой из упомянутых выше методик, поскольку ведется поиск характерного звука входа нефти или газа в трубу обсадной колонны, относительно тихого и слабого источника шума. Обнаружение и количественная оценка областей притока в скважину являются возможными с помощью анализа трехмерного массива данных обнаруживаемой активности по расстоянию/глубине за временной период, что можно показать с использованием «каскадной» энергетической карты в двухмерном формате.

Эффекты, представляющие интерес, являются очень слабыми и обычно проявляются, как вариации структуры шума, а не как легко различимые признаки превышающие шум, которые видны при обнаружении событий, связанных перфорированием. Надежность и точность обнаружения можно повышать, выделяя области характерных вариаций энергии. Для создания индикации притока исследована и использована статистика вариантности энергии каждого канала за короткие периоды времени, а не непосредственно энергия. Как можно видеть на Фиг. 5, данная методика более четко показывает область притока (указано стрелкой) и диагональные структуры (выделено пунктирной линией), обусловленные перемещением энергии или материала вверх по трубе.

Многочисленные способы мониторинга и параметризации описаны выше, и различные характеристики сигналов, имеющиеся и анализируемые (частотный состав, амплитуда, отношение сигнал - шум), устанавливают широкий диапазон требований к измерительному устройству. Благодаря большому динамическому диапазону и относительно высокой частоте взятия выборки мониторинга с использованием системы распределенных акустических измерений, вместе с тем, весь описанный выше мониторинг и обработку данных можно выполнять с использованием одной системы, схематично показанной на Фиг. 1.

Кроме того, и как упомянуто выше, конфигурацию каналов можно также регулировать, и можно использовать различные настройки каналов для различных операций мониторинга. Настройки каналов можно также адаптивно регулировать с реакцией на данные мониторинга, например, значительная плотность расположения трещин возникают на некоторой глубине, возможно необходим мониторинг на данной конкретной глубине с увеличенным разрешением в течение некоторого времени до возврата к исходной конфигурации канала.

Таким путем можно осуществлять комплексную программу мониторинга одной системой во всей последовательности операций в скважине от перфорирования до получения притока текучей среды. Систему можно выполнить с возможностью перехода от одного типа обнаружения к другому с реакцией на обнаруживаемые события, и с возможностью адаптивного изменения, как параметров измерения, так и обработки данных для такой работы мониторинга/обнаружения.

Кроме того систему распределенных акустических измерений можно использовать, как средство связи со скважинными датчиками. Документ US2009/0003133 описывает способ передачи данных от скважинных датчиков и т.п. с использованием самой обсадной колонны, как носителя акустических волн. Вместо этого, можно использовать акустическое волокно для приема кодированных акустических сигналов, что обеспечивает возможность надежной передачи сигналов малой мощности.

Должно быть понятно, что настоящее изобретение описано выше только в качестве примера, и возможна модификация деталей в объеме изобретения.

Каждый признак, раскрытый в описании и (где приемлемо) в формуле изобретения и показанный на чертежах, может быть создан независимо или в любой приемлемой комбинации.

Claims (29)

1. Способ скважинного мониторинга, содержащий:

опрашивание немодифицированного оптического волокна, расположенного по траектории ствола скважины для получения распределенных акустических измерений;

одновременно взятие выборки данных, собираемых из множества смежных участков волокна; и

обработку данных для определения одного или нескольких параметров ствола скважины,

причем обработка данных включает в себя обнаружение отклика на акустическое воздействие, причем акустическое воздействие возбуждает акустические колебания, по меньшей мере, на секции скважины и причем параметр является профилем состояния, по меньшей мере, секции скважины.

2. Способ по п. 1, в котором акустическое воздействие представляет собой событие, связанное с перфорированием, и этап определения профиля состояния скважины представляет собой скорость акустического импульса в обсадной колонне ствола скважины.

3. Способ по п. 1, в котором обработка данных включает в себя обнаружение по меньшей мере одного связанного с образованием трещины события и параметры включают в себя по меньшей мере одно из следующего: глубина трещины, скорость гидроразрыва пласта, дальность прохождения трещины и плотность расположения трещин гидроразрыва.

4. Способ по п. 1, в котором обработка данных включает в себя обнаружение потока текучей среды в скважине и параметры включают в себя расход и глубину потока.

5. Способ по любому предшествующему пункту, в котором обработка содержит обнаружение событий нескольких типов.

6. Способ по любому из пп. 1-4, в котором частота взятия выборки больше или равна 1 КГц.

7. Способ по любому из пп. 1-4, в котором частота взятия выборки больше или равна 5 КГц.

8. Способ по любому из пп. 1-4, в котором по меньшей мере на 100 каналах одновременно выполняют выборку.

9. Способ по любому из пп. 1-4, в котором по меньшей мере на 250 каналах одновременно выполняют выборку.

10. Способ по любому из пп. 1-4, в котором каналы соответствуют смежным участкам волокна длиной меньше или равной 10 м.

11. Способ по любому из пп. 1-4, в котором обработка данных содержит выполнение обнаружения переходных процессов.

12. Способ по п. 11, в котором обнаружение переходных процессов включает в себя выдерживание количественного показателя среднего абсолютного отклонения.

13. Способ по п. 12, в котором количественный показатель среднего абсолютного отклонения обновляется экспоненциальным усреднением с использованием члена затухания, N.

14. Способ по п. 13, в котором член N затухания адаптивно изменяют.

15. Способ по любому из пп. 1-4, в котором обработка данных содержит частотный анализ.

16. Способ по любому из пп. 1-4, в котором данные обрабатывают в режиме реального времени.

17. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащий корректировку параметров опрашивания для изменения смежных участков волокна, с которых проводят выборку данных.

18. Способ по п. 17, в котором параметры опрашивания корректируют адаптивно с откликом на обнаруживаемые события.

19. Система скважинного мониторинга, содержащая:

волоконно-оптическое опрашивающее устройство, выполненное с возможностью создания распределенных акустических измерений на немодифицированном волокне, проложенном вдоль траектории ствола скважины;

устройство взятия выборки, выполненное с возможностью взятия выборки выходных данных множества каналов из опрашивающего устройства одновременно для получения акустических данных с множества смежных участков волокна в каждый из множества периодов времени; и

анализатор данных, выполненный с возможностью обработки данных выборки для обнаружения событий в скважине и выходных параметров, связанных с обнаруживаемыми событиями,

причем анализатор данных выполнен с возможностью обнаружения отклика на акустическое воздействие, причем акустическое воздействие возбуждает акустические колебания, по меньшей мере, на секции скважины и причем параметр является профилем состояния, по меньшей мере, секции скважины.

20. Система по п. 19, выполненная с возможностью обнаружения событий нескольких типов.

21. Система по п. 19 или 20, выполненная с возможностью обнаружения как связанных с образованием трещин событий, так и притока текучей среды.

Images