CN101611330A - 进行井间观测的技术和系统 - Google Patents

Abstract

技术包括在第一井中提供源并在第二井中提供地震接收器，以检测由源引发的地震事件。该技术包括使源和接收器中的时钟以公共的基准时间帧为基准，并确定地震源产生地震事件在基准时间帧中的时间。

Description

进行井间观测的技术和系统

技术领域

本发明总体上涉及一种用于进行井间观测的技术和系统。

背景技术

油井增产、注入和开采可能导致地层应力状态的改变，使得岩层发生断裂以及应力释放。这种应力释放会产生两种地震能量：挤压能和剪切辐射能。检测到的地震能量的本质和特点能够揭示出有关断裂机理和释放的应力大小的信息。

通过使用一个或更多的多部件传感器来检测一个微地震事件，可以对事件的位置进行三角测绘。这可以揭示出有关压力扰动的几何结构和范围、裂缝生长的几何形状以及地层应力的主要方向等信息。

微地震水力裂缝监测一般具有两项主要应用。第一项应用是用于实时水力裂缝监测的实时微地震事件检测和定位。这使得油井增产服务专家能够根据观测到的或模拟的裂缝生长范围来对水力压裂作业进行监测和调整。第二项应用是事后的分析和解释。可以对微地震事件数据进行处理和解释，以便更好地理解裂缝生长的机理和几何形状以及地层的当前应力状态。专家可以在规划下一步的油井增产或者为提高采收率而进行可能的加密钻井(in-filldrilling)时使用该信息。

对微地震数据的分析和处理需要对微地震事件进行高保真度记录，作为逝去时间的函数；还需要地下速度、压缩、剪切以及岩层中速度各向异性的量和本质的详细信息。确定速度各向异性的量和本质的一种方法是通过利用变偏移距垂直地震剖面(VSP)测量。然而，对于崎岖不平的地带，这些测量方法可能成本过高或可能不实用。此外，地下的速度反演可能会额外地限制波至角度，由此不能给出地下出现的各向异性的完整描绘。

因此，存在对更好地构建和/或校正地震速度模型的持续需求。

发明内容

在本发明的实施例中，技术包括提供第一井中的地震源和第二井中的地震接收器以检测由源引发的地震事件。该技术包括使源和接收器中的时钟以公共的基准时间帧为基准，并确定地震源产生地震事件在基准时间帧中的时间。

在本发明的另一实施例中，系统包括第一井和第二井。该系统包括适于下入到第一井中的第一工具，还包括至少一个地震源和第一井下时钟。该系统包括适于下入到第二井中的第二工具，还包括至少一个地震接收器和第二井下时钟。该系统包括使第一和第二井下时钟以基准时钟为基准以确定第一工具产生地震事件的时间的电路系统。

本发明的优点和其它特征将从详细的说明书、附图和权利要求书中变得明显。

附图说明

图1是根据本发明实施例的处理井和监测井的系统的示意图。

图2是描述根据本发明实施例的由至少一个地震源和至少一个地震接收器构建速度模型的技术的流程图。

图3和图4是描述根据本发明实施例构建速度模型的更详细技术的流程图。

具体实施方式

技术和系统在这里被描述为是用于以构建和/或校正地震速度模型为目的而进行井间观测。井间观测一般是这样进行的：即，通过在被称为“处理井”的一个井中产生地震事件并在被称为“监测井”的另一井中测量该地震事件。为了使井间观测有效，在处理井中用工具记录地震事件必须与在监测井中用另一工具记录地震事件严格同步。换句话说，为了获得满足需要的速度模型，必须要知道地震事件发生的时间。正如这里描述的，图1所示的系统是按照本发明的实施例构造的，用于精确地指示每个地震事件的时间起点。

一般地，图1描述了系统10，该系统10包括处理井12和监测井40。出于监测处理井12中正在发生的压裂作业的目的(即，出于微地震水力压裂监测的目的)，地震监测设备可被下入到监测井40中。然而，在进行这种监测之前，先要开发出表征井12与40之间的一个或多个地层的特点的地震速度模型。

如图1所示，按照本发明的一些实施例，井12和40可设有套管，由此可分别衬有相应的套管柱16和44。但是，需要说明的是，根据本发明的其它实施例，这里所描述的系统和技术可用于无套管的井。另外，尽管井12和40被示为地下井，但是要指出，根据本发明的其它实施例，这里描述的系统和技术可以应用于海底井。因此，许多变化都是可能的，并且这些变化都在所附权利要求的范围内。

为了进行井间观测，地震源工具20被下入到处理井12中的已知位置。当受到激发时，地震源工具20产生“爆炸(shot)”或地震事件，该地震事件可被位于监测井40中的地震接收器工具50测量。更具体地，地震接收器工具50所记录的地震能量是由工具20产生的地震波在通过一个或多个周围地层传播并在该一个或多个周围地层内反射之后的结果。记录下来的地震能量是地层响应、传感器响应和记录仪器响应的函数。

根据本发明的一些实施例，工具20和50可以是分别通过线缆19和64下入到井下的线缆工具。需要说明的是，这些运送机构仅仅是示例，根据本发明的其它实施例，也可采用其它的运送机构(例如，比如管柱之类的)。

能够对检测到的微地震事件的位置进行三角测量的精度取决于源和接收器的几何尺寸以及测量的信噪比(SNR)和质量。与单一井监测的配置相比，用于系统10的多井监测技术潜在地提供了改进的位置精度和对源机构更好的评估。

为了通过三分量矢端图分析(three component hodogram analysis)来定位地震事件，必须确定工具方位。微地震观测利用校正方位爆破的记录(recording of calibration orientation shot)。通过记录和分析高质量的井间爆破，可准确地计算出工具方位。

所记录的井间爆破还提供了速度模型校正信息。最佳的校正要求能够知道由地震源工具20产生的每个地震事件的时间起点。根据这里描述的本发明的实施例，为了确定工具20产生地震事件的绝对时间，系统10分别使工具20和50的时钟26和58以基准时钟信号为基准。因此，虽然井12和14可以分别与独立的地面系统34和70相关联，但是，工具20和50的作业以相同的时间帧为基准。由于这个技术，得知了工具20引发地震事件的绝对时间，从而允许进行最佳速度模型校正。

更具体地，结合图1参看图2，根据本发明的一些实施例，技术80包括在处理井中的井下地震源附近提供(块84)时钟以及在监测井中的井下地震接收器阵列附近提供(块88)时钟。依据块92，使这些时钟所指示的时间以基准时间帧为基准。随后，依据块96，确定地震源引发地震事件在基准时间帧中的时间。依据块98，将所确定的引发时间用于生成速度模型。

再回到图1，采用井间地震监测战胜了在开发准确且适用的速度模型方面出现的传统挑战。例如，传统上难于获得评估地层剪切速度所需的数据。更具体地，微地震事件的带宽通常为几十赫兹到几百赫兹。与地震波相比，这是相对较高的频率信号，而与声波相比，这是相对较低的频率信号。这意味着波长在几米到几十米的数量级。任何速度模型都应该处于与主波长类似的范围。对于微地震应用场合，源于地震测量的速度模型常常过于粗糙，声波测井推导模型(sonic log derived models)需要进行平滑化或分段(block)以匹配主波长。

对于单井监测阵列，或者在多井实验的情况下，记录的微地震波至通常会沿着斜射线路径。地层速度可以是在方向上相关的，或各向异性，尤其是对于一些页岩地层。在信息可获得的情况下，在模型中考虑各向异性。经过校正的各向异性速度模型可以由声波测井(sonic log)或校验炮(checkshot)垂直地震剖面(VSP)数据来构建。通常，压缩和剪切信息来源于经过校正/扩展的声波测井，并且，各向异性参数通过偏移距或变偏移距(walkaway)VSP数据来估测。确定各向异性的偏移距或变偏移距VSP方法是一种(或一组)用于确定宽范围的传播角度上的速度信息的有效创建方法，这是坚固的微地震事件位置所需要的。除了在某些情况下成本可能过高外，该方法至少还在下面两种情况下可能效果欠佳：a)地形崎岖，限制可达性并引发地震静态问题时；以及b)存在速度反演(例如，高速度砂岩下的低速度页岩)，阻碍任何几乎水平的射线(传播)时。

因此，这里描述的井间系统和技术战胜了传统的挑战，尤其是在已知地震源工具20产生地震事件的时间时。

对于更具体的细节，根据本发明的一些实施例，时钟26和58是计数器，它们中的每个为与之相应的工具20或50指示当前时间。根据本发明的一些实施例，工具20、50将其时间指示传送给相关的地面系统。就这一方面来说，根据本发明的一些实施例，工具20(经由其遥测接口20和线缆19)周期性地将其时间指示传送给地面系统34。类似地，工具50也(经由其遥测接口52和线缆64)周期性地将其时间指示传送给地面系统70。

一般地，地面系统34和70是相互独立的。然而，每一地面系统34、70都接收全球定位卫星(GPS)信号、包含通用时间信号的信号，该信号作为“UTC”计数被存储在地面系统34、70中。这样，UTC计数为地面系统34、70指示通用时间。因此，根据本发明实施例的地面系统34和70包含UTC计数器36和72，计数器36和72与接收到的UTC时间同步。

根据本发明的一些实施例，每个地面系统34借助工作时间计数器38(用于地面系统34)或74(用于地面系统70)确定相关井下工具计数的基准。JTC38、74在时间和频率上基本与相关的井下工具时间同步。因此，JTC 38与时钟26同步，JTC 74与时钟58同步。地面系统34、70又使工作时间计数器38、74所指示的时间以UTC时间为基准。结果，在相互独立的地面系统34和70之间通信的时间以相同的基准时间帧为基准。

作为更具体的示例，根据本发明的一些实施例，地震源工具20可包括射孔枪28，该射孔枪可具有双重作用：形成进入周围地层中的相应射孔通道(例如，示例性的射孔通道30)和产生地震事件。当射孔枪28的一组射孔弹(aset of perforating charges)点火时，就产生地震事件，该地震事件可被工具20的至少一个传感器27以及地震接收器工具50的传感器阵列检测到。根据本发明的一些实施例，工具20与地面系统34通信，以指示用于射孔枪28点火的UTC时间。之后，UTC点火时间可从地面系统34传送至地面系统70，地面系统70而后将UTC点火时间传送至工具50。应当指出，根据本发明的一些实施例，地面系统70可以再使UTC时间以工具50的时间帧为基准。因此，两个地面系统34和70都会知道点火的绝对时间；并且，工具50可以在UTC点火时间开始记录。

需要说明的是，按照本发明的其它实施例，地震源工具20可使用除了射孔枪以外的装置来产生地震事件。在这一方面，工具20可以使用非射孔弹或另一地震源。另外，地震源工具20可使用非穿透聚能装药来产生地震事件。因此，许多变化都是可能的，并且这些变化都落在所附权利要求的范围内。

现在来看更具体的细节，根据本发明的一些实施例，为了获得所需的高数据率，在油井遥测中使用异步通信。借助异步遥测，井下工具总线(downholetool bus)和电缆遥测均为完全异步。因此，不存在同步时间信号。但是，井下遥测接口22和52以及地面系统34和70分别与它们的时钟有规律地同步，不仅在频率上同步而且还在时钟计数值上同步。更具体地，根据本发明的一些实施例，遥测接口22、52在与之相关联的时钟26、56的每个低12位翻转(rollover)(作为示例)时产生“帧开始命令”。这可以是每16毫秒(作为示例)。在接收到该命令时，工具20、50的控制器产生FRAME脉冲。通过查看这一脉冲，井下工具20、50(至少)能知道12位计数器的翻转(rollover)，其为井下和地面遥测分量中的两个。通过这一方法，时钟计数器的同步不会比+/-32毫秒(作为示例)差。

通常，在检测到FRAME脉冲时，井下遥测接口22、52向井的地面发送包含有其自身时钟值的上行信息。地面系统34和70上运行的地面软件接收该信息以及时间戳(time stamp)。通过这种方式，地面软件可以使井下工具的时钟计数器与JTC时钟计数器相关联。

根据本发明的一些实施例，地震工具20可从地面进行数字控制，并且可被准确地安放到任何深度。此外，为了在多个深度处重复进行源激发，地震源工具20可被重新定位，而无需从井中取出。根据本发明的一些实施例，地震源工具20的传感器27可用于测量源点火时间并且可用作加速计或者水听器。此外，地震源工具20能够使射孔枪28定位，以控制源辐射类型和传播模式。此外，根据本发明的特定实施例，地震源工具20可具有其它的传感器以获取其它数据，例如井眼压力和/或温度。

根据本发明的一些实施例，传感器27可用于检测源激发时间。在这方面，传感器27所记录的信号可以是峰值(peak)或尖峰(spike)的形式。为了精确地识别源激发时间，可以依次识别尖峰的开始。需要说明的是，根据本发明的其它实施例，源激发时间可利用其它技术识别。例如，根据本发明的一些实施例，源激发时间可通过由源爆炸引起的工具管柱的加速度、由源激发产生的井眼压力峰值、或专用传感线缆因爆炸而损坏时的电连续性丧失而进行检测。作为在事件发生后进行时间测量的选择方式，可在预定时间以精确受控的定时特性将点火脉冲发送给引发器(initiator)。因此，许多变化都是可能的，并且这些变化都落在所附权利要求的范围内。

根据本发明的一些实施例，地面系统74和70中之一或单独的系统可反转记录数据并构建各向异性速度模型。为了进行该建模，系统可执行下面的工作流程。首先，可以加载偶极声波测井记录(dipole sonic logs)，然后可由这些测井记录开发出平滑的弹性模型。之后，可读取射孔的发射次数；然后，使用专用于水力压裂监测几何结构的传播时间反演技术来开发速度模型。

图3和图4共同示出了利用不同深度处记录的井间地震数据开发速度模型的流程图。具体来说，图3示出了该技术的第一部分150A，图4示出了其余部分150B。

参看图3，根据该技术，将地震接收器工具50下入在监测井中，如块154所示。如块158所示，将地震源工具20下入在处理井中。之后开始进行测量，以确保(块162)地面系统34和70被锁定到UTC时间并跟踪UTC时间。

接下来，关于预期的点火时间，从处理井12到监测井40进行通信(块166)；然后，发送命令以指示射孔枪28点火，如块166所示。在本发明的一些实施例中，预期的点火时间要被转到地震接收器工具50的时间域，并被传送至工具50，以便控制工具50开始记录地震事件的精确时间。之后，事件期间产生的地震数据从工具20和50传送(块170)到地面并与时间戳一起存储。

参看图4，如果判断(菱形174)还要在另一深度处采集地震数据，那么工具20和50将被移动到新的深度，如块178所示；并且控制返回到块162，从而重复块162、166和170。否则，如果测量完成，则将工具20从井12中取出，如块182所示。之后，可以由偏振分析(polarization analysis)确定(块186)工具50的传感器方位。接下来，构建和/或校正速度模型，如块190所示。之后，反算(块194)射孔和/或装药位置并相互校验。基于块194的结果，可以对速度模型进行进一步的调整，如块198所示。

尽管已经结合有限数量的实施例对本发明做了描述，但受益于本公开的本领域技术人员能够知道许多的改进和变形。所附权利要求旨在覆盖所有落入本发明真实精神和范围内的改进和变形。

Claims (18)

1、一种方法，包括：

在第一井中提供源，在第二井中提供地震接收器以检测由源引起的地震事件，源具有第一时钟，接收器具有第二时钟；

使源和接收器中的时钟以公共基准时间帧为基准；和

确定地震源产生地震事件在基准时间帧中的时间。

2、根据权利要求1所述的方法，还包括：使地震接收器所进行的记录与所述时间同步。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，同步的行为包括使地震源受到激发的时间与接收器受到致动以记录该事件的时间基本上相同。

4、根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，源包括第一井下时钟，接收器包括第二井下时钟，并且，使时钟同步的行为包括：

在第一井的地面，使第一地面时钟与第一井下时钟同步；

在第二井的地面，使第二地面时钟与第二井下时钟同步；和

使第一和第二地面时钟同步。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，使第一和第二地面时钟同步的行为包括使每个第一和第二地面时钟与从卫星获得的时钟信号同步。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，确定基准的行为包括：

将第一井下时钟的指示周期性地传送到井的地面。

7、根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供源的行为包括提供射孔枪。

8、根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括利用地震事件的记录生成各向异性速度模型。

9、根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，地震接收器是地震接收器阵列的一部分，其中，确定基准包括：

使该阵列对地震事件的记录同步。

10、根据权利要求1所述的方法，其中，该方法利用了一种系统，该系统包括：

适于下入到第一井中的第一工具，该第一工具包括至少一个地震源和第一井下时钟；

适于下入到第二井中的第二工具，该第二工具包括至少一个地震接收器和第二井下时钟；和

电路系统，用于使第一和第二井下时钟以公共基准时钟为基准，以确定第一工具产生地震事件的时间。

11、根据权利要求10所述的方法，其中，该电路系统适于使所述至少一个地震接收器对地震事件的记录与所述至少一个地震源产生地震事件的时间同步。

12、根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其中，使该电路系统同步，以使所述至少一个地震源受到激发的时间与所述至少一个地震接收器被致动以记录地震事件的时间基本上相同。

13、根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，该电路系统包括：

位于第一井的地面的第一电路，用于使第一地面时钟与第一井下时钟同步；

位于第二井的地面的第二电路，用于使第二地面时钟与第二井下时钟同步。

14、根据权利要求13所述的方法，其中，第一和第二电路适于分别使每个第一和第二地面时钟与从卫星接收到的时钟信号同步。

15、根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，第一工具适于将第一井下时钟的指示周期性地传送给该电路系统。

16、根据权利要求10-15中任一项所述的方法，其中，第一工具包括射孔枪。

17、根据权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，第一工具适于通过线缆、滑线和管柱中之一下入到井下。

18、根据权利要求10-17中任一项所述的方法，其中，地震接收器是适于记录地震事件的地震接收器阵列的一部分。

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