CN102884277A - 压裂应力改变的地下地层 - Google Patents

Abstract

地下地层中的井孔包括被连通地耦接至安装在井孔中的注入工具（212）的信号发送子系统（114）。每个注入工具基于所述注入工具的状态控制进入地层的间隔（118a，118b，118c，118d）的流体流。地下地层中的应力通过在地层中形成裂隙（302a，302b）而改变。控制信号经由信号发送子系统（114）从井孔表面发送到注入工具（212）以改变注入工具中的一个或者多个的状态。流体通过注入工具注入到应力被改变的地下地层中以在地下地层中形成裂隙网。在一些实施例中，每个注入工具的状态可以基于从井孔表面传输的信号选择性地和重复地被操纵。在一些实例中，沿着水平井孔的大部分和/或整个长度而改变应力和/或形成裂隙网。

Description

压裂应力改变的地下地层

背景技术

油气井从地下地层中生产石油、气和/或副产品。一些地层（比如页岩地层、煤地层和包含天然气的其他密闭气地层）具有极低的渗透性。通过使地层断裂可提高地层传导资源的能力。在水力劈裂处理的过程中，通过井孔在高压下将流体泵送到岩石地层中以人为地压裂地层并且提高渗透性和从地层中生产资源。压裂处理和生产以及其他行为可以导致复杂的断裂模式在地层中发展。复杂的断裂模式可以包括沿着多个方位角、在多个不同的平面和方向上、沿着岩石中的裂痕并在多个储层区域中延伸到井孔的复杂的裂隙网。

发明内容

系统、方法，包括与压裂应力改变的地下地层有关的操作。在一个通常的方面中，对应力改变的地层施加压裂处理的裂断系统基于从井孔表面传输的信号被重构。

根据本发明的一个方面，提供了一种压裂地下地层的方法，所述方法包括：通过沿着井孔在地下地层中产生多个裂隙而改变邻近井孔的地下地层中的应力；从井孔表面通过信号发送子系统向安装在井孔中的多个注入工具发送多个控制信号以便为所述多个注入工具选择多个状态；以及在每个状态中通过多个注入工具中的一个或者多个将流体注入到应力改变的地下地层中以在该地下地层中产生裂隙网。

在另一方面，本发明提供了压裂地下地层的方法，所述方法包括：在在地下地层中的井孔中安装多个注入工具和信号发送子系统，每个注入工具基于注入工具的状态控制从井孔进入地下地层中的流体流，信号发送子系统适于将来自井孔表面的控制信号传输到每个注入工具以改变注入工具的状态，多个注入工具包括第一注入工具、第二注入工具和第三注入工具；使用第一注入工具和第三注入工具以在地下地层中形成第一裂隙和第三裂隙，其中形成第一裂隙和形成第三裂隙改变了第一裂隙与第三裂隙之间的区域中的应力各向异性；在第一裂隙和第三裂隙形成之后使用信号发送子系统通过传输来自井孔表面的一个或者多个控制信号而改变多个注入工具中的至少一个的状态；以及使用第二注入工具在第一裂隙与第三裂隙之间的具有被改变的应力各向异性的区域中形成裂隙网。

本发明还提供了用于压裂地下地层的系统，所述系统包括：多个注入工具，所述多个注入工具被安装在地下地层中的井孔中，所述多个注入工具中的每个均基于所述注入工具的状态控制从井孔进入地下地层的间隔中的流体流，所述多个注入工具包括控制进入第一间隔的第一流体流的第一注入工具、控制进入第二间隔的第二流体流的第二注入工具和控制进入第三间隔的第三流体流的第三注入工具，所述第二注入工具在井孔中安装在第一注入工具与第三注入工具之间；以及注入控制子系统，所述注入控制子系统通过经由安装在井孔中的信号发送子系统将来自井孔表面的控制信号发送到多个注入工具而控制所述多个注入工具的状态，每个控制信号改变所述注入工具中的一个的状态以改变由注入工具控制的流，所述地下地层包括：被改变应力各向异性的区域，所述区域的各向异性被进入第一间隔的第一流体流和进入第三间隔的第三流体流改变；以及位于被改变应力各向异性的区域中的裂隙网，所述裂隙网通过进入第二间隔的第二流体流形成。

在一个方面中，注入工具和信号发送子系统被安装在地下地层中的井孔中。每个注入工具基于所述注入工具的状态控制从井孔进入地下地层的流体流。信号发送子系统将来自于井孔表面的控制信号传输到每个注入工具以改变所述注入工具的状态。注入工具包括第一、第二、第三以及可能更多注入工具。第一注入工具和第三注入工具用于在地下地层中形成第一裂隙和第三裂隙，并且形成第一和第三裂隙的行为改变了第一裂隙和第三裂隙之间的区域中的应力各向异性。在第一和第三裂隙形成之后，信号发送子系统用于通过传输来自于井孔表面的控制信号而改变注入工具中的至少一个的状态。第二注入工具用于在第一裂隙和第三裂隙之间的具有被改变的应力各向异性的区域中形成裂隙网。

实施例可以包括下列特征中的一个或者多个。当使用第二注入工具形成裂隙网时测量地下地层的性质。在使用第二注入工具形成裂隙网的同时使用信号发送子系统以通过传输来自于井孔表面的其他控制信号而改变注入工具中的至少一个的状态。所述其他控制信号基于测量到的性质。每个注入工具均包括用于控制从井孔进入地下地层的流体流的注入阀。使用信号发送子系统来改变注入工具的状态包括在没有井干涉的情况下选择性地打开或者关闭多个阀中的至少一个。选择性地打开或者关闭阀包括：在第一裂隙形成之后关闭第一注入工具的阀，在第三裂隙形成之后关闭第三注入工具的阀，以及打开第二注入工具的阀。使用第一注入工具和第三注入工具以形成第一裂隙和第三裂隙包括同时地形成第一裂隙和第三裂隙。信号发送子系统包括液压控制线。控制信号是从井孔表面传输的液压控制信号。信号发送子系统包括电控制线。控制信号包括从井孔表面传输的电控制信号。注入工具被安装在水平井孔中。具有改变的应力各向异性的区域横向地存在于第一裂隙与第三裂隙之间。地下地层包括密闭气储存器。

在一个方面中，用于压裂地下地层的系统包括：地下地层中的井孔、被安装在井孔中的注入工具、和注入控制子系统。每个注入工具均基于注入工具的状态控制从井孔进入地下地层的间隔中的流体流。第一注入工具控制进入第一间隔的第一流体流，第二注入工具控制进入第二间隔的第二流体流，以及第三注入工具控制进入第三间隔的第三流体流。第二注入工具被安装在井孔中第一注入工具与第三注入工具之间。注入控制子系统通过经由安装在井孔中的信号发送子系统将来自井孔表面的控制信号发送到注入工具而控制注入工具的状态。每个控制信号均改变注入工具中的一个的状态以改变由注入工具控制的流。地下地层包括应力各向异性改变的区域，其中所述区域的应力各向异性已由进入第一间隔的第一流体流和进入第三间隔的第三流体流改变。地下地层包括位于应力各向异性改变的区域中的裂隙网。裂隙网通过进入第二间隔的第二流体流形成。

实施例可包括下列特征的一个或者多个。所述系统还包括数据分析子系统，所述数据分析子系统基于压裂处理期间从测量子系统接收的数据而识别地下地层的性质。在压裂处理期间传输的控制信号基于由数据分析子系统识别的性质。测量子系统包括微震传感器，所述微震传感器检在地下地层中的微震事件。数据分析子系统包括裂隙映射子系统，裂隙映射子系统基于从微震传感器接收的数据识别地下地层中裂隙的位置。测量子系统包括安装在地下地层周围的表面处用于检测表面的定向的测斜仪。数据分析子系统包括裂隙映射子系统，裂隙映射子系统基于从测斜仪接收的数据识别地下地层中裂隙的位置。测量子系统包括检测井孔中的流体的压力的压力传感器。数据分析子系统包括压力判读子系统，压力判读子系统基于从压力传感器接收的数据识别地下地层中的流体流的性质。

在一个方面中，井孔附近的地下地层中的应力通过沿着井孔在地下地层中产生多个裂隙而改变。控制信号从井孔表面经由信号发送子系统被发送至安装在井孔中的注入工具以便选择注入工具的状态序列。在每个状态中，流体通过注入工具被注入到应力改变的地下地层中以便在地下地层中产生裂隙网。

实施例可包括下列特征中的一个或者多个。井孔是水平井孔。状态序列包括第一状态和位于第一状态之后的多个其他状态。其他状态中的一个或者多个基于在第一状态中通过注入工具注入流体期间从地下地层中接收的数据。改变地下地层中的应力包括：通过第一注入工具将流体从井孔注入到地下地层的第一间隔中以及通过第三注入工具将流体从井孔注入到地下地层的第三间隔中。选择多个连续状态中的第一状态包括：基于经由信号发送子系统从井孔表面传输的第一控制信号关闭第一注入工具、基于经由信号发送子系统从井孔表面传输的第三控制信号关闭第三注入工具、和/或基于经由信号发送子系统从井孔表面传输的第二控制信号打开第二注入工具。将流体注入到应力改变的地下地层包括：通过第二注入工具将流体从井孔注入到地下地层的第二间隔中以压裂第二间隔。第二间隔存在于第一间隔与第三间隔之间。将流体注入到第一间隔和将流体注入到第三间隔包括将流体同时地注入到第一间隔和第三间隔中。选择连续状态中的第二状态包括：在通过第二注入工具的注入期间基于经由信号发送子系统从井孔表面传输的第四信号打开安装在井孔中的至少一个其他注入工具。所述至少一个其他注入工具可包括第一注入工具、第三注入工具和/或第四注入工具。选择连续状态中的第三状态包括：在通过第二注入工具的注入期间基于经由信号发送子系统从井孔表面传输的第五信号关闭所述至少一个其他注入工具。

这些构思的一个或者多个实施例的细节在附图和下文的说明书中阐述。这些构思的其他特征、目标和优点从说明书和附图、以及从权利要求中变得更明白。

附图说明

图1是用于压裂地下地层的示例性井系统的图。

图2是用于压裂地下地层的示例性井系统的图。

图3是改变地下地层中的应力的示例性井系统的图。

图4是压裂应力改变的地下地层的示例性井系统的图。

图5是示出了用于压裂地下地层的示例性技术的流程图。

在不同的附图中相同的标号表示相同的元件。

具体实施方式

图1是用于压裂地下地层的示例性井系统100的图。示例性井系统100包括位于地表106下方的地下区域104中的井孔102。图1中所示的示例性井孔102包括水平井孔。然而，井系统可包括水平的、竖直的、倾斜的、曲线形的和/或其他井孔定向的任何组合。地下区域104可包括含有比如石油、天然气和/或其他物质的碳氢化合物资源的储层。例如，地下区域104可包括含有天然气的地层（例如，泥页岩、煤、砂岩、花岗岩和/或其他）。地下区域104可以包括自然断裂的岩石和/或没有断裂到任何明显程度的自然岩石地层。地下区域104可包括密闭气地层，该密闭气地层包括低渗透性的岩石（例如，泥页岩、煤和/或其他）。

示例性井系统100包括流体注入系统108。流体注入系统108可用于执行注入处理，从而将流体从井孔102注入到地下区域104中。例如，注入处理可以压裂地下区域104中的岩石和/或其他物质。在这种示例中，压裂岩石可增加地层的表面面积，这可增加地层传导流体资源到井孔102中的速率。注入系统108可以利用可选的裂隙阀控制、液压裂隙周围的应力场的信息、实时裂隙映射、实时压裂压力判读和/或其他技术来实现地下区域104中的期望的复杂裂隙几何形状。

示例性注入系统108包括注入控制子系统111、安装在井孔102中的信号发送子系统114、和安装在井孔102中的一个或者多个注入工具116。注入控制子系统111可以从井孔表面110通过信号发送子系统114与注入工具116通信。注入系统108可以包括没有被显示在图1中的其他的和/或不同的特征。例如，注入系统108可以包括参照图2、3和4描述的特征和/或其他特征。在一些实施例中，注入系统108包括计算子系统、通信子系统、泵送子系统、监测子系统和/或其他特征。

示例性注入系统108在地下区域104中界定出多个注入间隔118a、118b、118c、118d和118e（总称为“间隔118”）。注入工具116可以包括多个注入阀，用于将流体注入到间隔118中的每个中。间隔118的边界可以由井孔102中的包装机和/或其他类型装置的位置界定和/或由地下区域104的特征界定。除图1中示出的五个示例性间隔118之外，注入系统108可界定出更少的间隔和/或多个其他的间隔。每个间隔118均可具有不同的宽度，或者所述间隔可以沿着井孔102均匀地分布。在一些实施例中，注入工具116在水平井孔的大体整个长度上安装并且大体上沿着水平井孔的整个长度输送流体进入间隔118中。在一些实施例中，注入工具116沿着井孔的有限部分安装中并且沿着该井孔的有限部分输送流体进入间隔118中。

注入工具116可包括用以执行注入处理的多个井下压裂阀。在一些实施例中，注入工具116的多个压裂阀从地表实时地或者接近实时地受到控制，其允许在压裂处理期间的任何给定时刻将流体注入到地下区域104的选定间隔中。在一些情况下，注入系统108同时向多个间隔中注入流体，然后，基于注入期间从裂隙映射和压力判读中搜集的信息，系统108重构注入工具106以修改流体被注入的方式和/或帮助促进复杂裂隙生长。例如，微震设备、测斜仪、压力计和/或其他设备可以在操作期间连续地监测裂隙生长和复杂度的程度。在一些实施例中，基于被收集的数据的裂隙映射可用于确定什么时候以及以什么方式重构井下注入阀以实现期望的裂隙性质。重构注入工具116可以包括打开、关闭、限制、扩大和/或以别的方式操纵压裂阀的一个或者多个流径。

注入系统108可以沿着水平井孔的大部分（例如，井孔的整个长度或者小于整个长度）改变地下区域104中的应力。例如，注入系统108可以通过执行注入处理而改变在地下区域104中的应力，在所述注入处理中沿着井孔102的一些或者整个长度可通过注入工具116的一个或者多个阀的任意组合将流体注入到地层中。在一些情况下，在注入处理期间的任何给定时刻可更改用于注入处理的注入阀的组合。例如，阀配置的顺序可以作为处理方案的一部分而预先确定、基于反馈实时地选择、或者它们的组合。注入处理可以通过沿着水平井孔的大部分（例如，井孔的整个长度或者小于整个长度）产生多个裂隙而改变应力。

通过将流体注入到地下区域104的应力已经被改变的部分中，注入系统108可产生或者改变地下区域104中的复杂裂隙网。例如，可以在初始的注入处理已经通过沿着井孔102在多个位置处压裂地下区域104而改变了应力之后产生或者改变复杂裂隙网。在初始的注入处理改变了地下地层中的应力之后，注入工具116的一个或者多个阀可以被选择性地打开或者以另外的方式重构以激励或者重新激励地下区域104的特定间隔，利用被改变的应力状态来产生复杂的裂隙网。

可沿着井孔的整个长度或者任何选定部分重复执行初始的注入处理以改变应力然后将流体注入到应力改变的区域中以产生或者改变裂隙网的技术。在一些实施例中，注入工具116的单个注入阀在这种注入处理期间被重构（例如，被打开、被关闭、被限制、被扩大或者以别的方式被操纵）多次。例如，在注入处理期间基于通过信号发送子系统114从井孔表面110发出的信号，用于将流体传送至地下区域104的注入阀可被重构多次。在一些实施例中，传感设备（例如，测斜仪、地音探测仪、微震探测装置等等）在注入处理之前、期间和/或之后从地下区域104中采集数据。由传感设备采集的数据可用于帮助确定注入到哪里（例如，使用哪个注入阀、将注入阀布置在哪里等等）和/或注入处理的其他性质（例如，流率、流量等等）以实现期望的裂隙网性质。

图1中示出的示例性注入控制子系统111控制注入系统108的操作。注入控制子系统111可包括数据处理设备、通信设备和/或控制通过井孔102施加至地下区域104的注入处理的其他系统。注入控制子系统111可以接收、产生和/或修改指定待施加至地下区域104的注入处理的性质的注入处理方案。注入控制子系统111可以发起控制信号，该控制信号配置注入工具116和/或其他设备（例如，泵车等等）以执行注入处理方案的方面。注入控制子系统111可接收由传感设备从地下区域104和/或另外的地下区域采集的数据，并且注入控制子系统111可处理该数据和/或以其他方式使用该数据以选择和/或改变待施加至地下区域104的注入处理的性质。注入控制子系统111可以发起控制信号，该控制信号基于选定的和/或被改变的性质配置和/或重构注入工具116和/或其他设备。

图1中示出的示例性信号发送子系统114从井孔表面110传输信号至安装在井孔102中的一个或者多个注入工具116。例如，信号发送子系统114可传输液压控制信号、电控制信号和/或其他类型的控制信号。控制信号可包括由注入控制子系统111发起的控制信号。控制信号在注入控制子系统111（和/或另外的源）与注入工具116（和/或另外的目的地）之间的途中可被重定格式、重构、存储、转换、重新传输和/或依需要或者期望而以别的方式改变。被传输到注入工具116的信号可控制注入工具116的配置和/或操作。例如，信号可导致注入工具116的一个或者多个阀被打开、关闭、限制、扩大、移动、重新定向和/或以别的方式被操纵。

信号发送子系统114可允许注入控制子系统111选择性地控制注入工具116的多个单个阀的配置。例如，信号发送子系统114可耦接至注入工具116中的多个致动器，其中每个致动器均控制注入工具116的单个注入阀。从井孔表面110通过信号发送子系统114传输至注入工具116的信号可被格式化以选择性地触发致动器中之一，所述致动器重构由该致动器控制的一个或者多个阀。信号发送子系统114可包括一条或多条专用控制线，该专用控制线中的每条均与一单个致动器、阀或安装在井孔102中的其他类型元件通信。专用的控制线可将控制信号传输至单个的井下元件以控制所述元件的状态。信号发送子系统114可包括一条或者多条共用控制线，该共用控制线中的每条均与多个致动器、阀和/或安装在井孔102中的其他类型元件通信。共用控制线可将控制信号传输至多个井下元件以选择性地控制每个单个元件的状态。共用控制线可将控制信号传输至多个井下元件以共同地控制多个元件的状态。使用共用控制线可减少安装在井孔102中的控制线的数量。

图1中示出的示例性注入工具116将流体从井孔102传送至地下区域104中。例如，注入工具116可包括阀、滑动套筒、端口和/或用于将流体从安装在井孔102中的作业线输送至地下区域104中的其他特征。在注入处理的期间进入地下区域104中的流体流可被注入工具116的配置控制。例如，注入工具116的阀、端口和/或其他特征可被构造成控制井孔102与地下区域104之间的流体流的位置、流量、定向和/或其他性质。在一些实施例中，井孔102不包括作业线，并且注入工具116被安装在井孔壳中。在一些实施例中，注入工具116从安装在井孔102中的作业线中接收流体。注入工具116可以包括由管材段、管道或者另一类型的导管耦接的多个工具。注入工具116可包括多个注入工具，每个均将流体传送至地下区域104的不同间隔118中。注入工具在井孔102中可由包装机或者安装在井孔102中的其他装置隔离。

每个注入装置116的状态均对应于井孔102与地下区域104之间的流体流通的模式。例如，处于打开状态的注入工具允许通过注入工具从井孔102到地下区域104中的流体流通，而处于关闭状态的注入工具不允许通过注入工具从井孔102到地下区域104的流体流通。作为另一个实例，注入工具可以具有多个不同的状态，每个状态均允许通过注入工具以不同的流率、流向或者位置从井孔102到地下区域104中的流体流通。因此，改变注入工具的状态会改变通过注入工具从井孔102到地下区域104的流体流通的模式。例如，关闭、打开、限制、扩大、重新定位、重新定向和/或以别的方式操纵流径可以改变注入处理期间流体被输送到地下区域104中的方式。

可从井孔表面110远程地控制示例性注入工具116。在一些实施例中，可通过从井孔表面110传输的控制信号改变注入工具116的状态。例如，注入控制子系统111或者另外的子系统可发起液压、电和/或其他类型的控制信号，这些控制信号通过信号发送子系统114传输到注入工具116。控制信号可以改变一个或者多个注入工具116中的状态。例如，控制信号可以打开、关闭、限制、扩大、重新定位、重新定向和/或以别的方式操纵单个的注入阀；或者控制信号可以同时地或者顺序地打开、关闭、限制、扩大、重新定位、重新定向和/或以别的方式操纵多个注入阀。

在一些实施例中，信号发送子系统114将控制信号传输到多个注入工具，并且控制信号被格式化以改变多个注入工具中的仅仅一个或者一个子集的状态。例如，共用的电或者液压控制线可将控制信号传输到多个注入阀，并且控制信号可被格式化以选择性地改变注入阀中的仅仅一个（或者一个子集）的状态。在一些情况下，控制信号的压力、幅度、频率、持续时间和/或其他性质确定哪个注入工具被控制信号改变。在一些情况下，控制信号的压力、幅度、频率、持续时间和/或其他性质确定被该改变实现的注入工具的状态。

图2、3和4示出了在实例处理的不同阶段期间的示例性井系统。图2示出了在初始阶段，即，在对地下区域104施加注入处理之前的示例性井系统200。图3显示了在中间阶段，即，在注入处理已经改变了地下区域104中的应力之后的示例性井系统200’。图4显示了在后续阶段，即，在注入处理已经在地下区域104的应力改变部分中形成了裂隙网402之后的示例性井系统200”。虽然图2、3和4示出了被施加至地下区域104的三个间隔118a、118b和118c的处理，但是相同或者类似的处理可同时地或者在不同的时刻施加至地下区域104的其他间隔中。例如，在图2、3和4中施加的处理可沿着井孔102的大部分和/或沿着井孔102的水平部分的整个长度施加在其他间隔处。图2、3和4中示出的示例性处理可构成施加至地下区域104的大部分上的激励处理的一部分。例如，参照图2、3和4描述的操作和技术可被重复和/或连同施加在间隔118a、118b、118c中的其他注入处理在而其他间隔中和/或通过地下区域104中的其他井孔被执行。可在其他类型的井孔（例如，在任何方向上的井孔）中、在包括多个井孔的井系统中和/或在其他适合环境中实施图2、3和4中示出的示例性处理。

如图2中示出的，井系统200包括示例性注入系统208。示例性注入系统208将处理流体从井孔102注入到地下区域104中。注入系统208包括仪器车204、泵车206、注入控制子系统211、管道202和227、控制线214和229、包装机210和注入工具212。示例性注入系统208可包括没有被显示在图中的其他特征。注入系统208可实施参照图1、3、4和5描述的注入处理和其他注入处理。注入系统208可实施包括例如微裂隙测试处理、规则的或者全裂隙处理、改进型裂隙处理、重复裂隙处理、最终裂隙处理和/或另外的类型的裂隙处理的注入处理。注入处理可以在超过、处于或者低于地层的裂隙引发压力下，超过、处于或者低于地层的裂隙关闭压力下和/或另一流体压力下将流体注入到地层。裂隙引发压力可以指能够在地下地层中开始和/或传播裂隙的最小流体注入压力。裂隙关闭压力可以指能够扩大地下地层中已有的裂隙的最小流体注入压力。

泵车206可以包括移动的车辆、固定的设备、滑道、软管、管道、流体罐、流体储存器、泵、阀、混合器和/或其他适合的结构和设备。泵车206供应处理流体和/或用于注入处理的其他材料。泵车206可以容纳多种不同的处理流体、支撑剂材料和/或用于激励处理的不同阶段的其他材料。

泵车206在井孔表面110处将处理流体输送到井孔102中。处理流体由安装在井孔102中的管道202从井孔表面110穿过井孔102被输送。管道202可包括通过水泥粘合到井孔202的壁上的外壳。在一些实施例中，井孔102的所有或者部分均可敞开，没有外壳。管道202可包括作业线、卷绕管、分段管和/或其他类型的管道。管道202被耦接至注入工具212。注入工具212可以包括阀、滑动套筒、端口和/或将流体从管道202输送到地下区域104中的其他特征。注入工具212可以包括参照图1描述的注入工具116的特征。包装机210隔离地下区域104中的间隔118，所述间隔从注入工具212中接收被注入的材料。在示出的实例中，包装机210界定了三个间隔118a、118b和118c。包装机210可包括机械包装机、流体可膨胀包装机、沙包装机、流体敏感或者流体驱动膨胀包装机和/或其他类型的包装机。

注入系统208包括三个注入工具212。每个注入工具212被安装在井孔中邻近于间隔118中之一以从井孔102的内部输送流体到地下区域104的相邻间隔118中。在一些情况下，多个注入工具212被安装成邻近单个的间隔并且可将流体输送到该单个的间隔中。第一注入工具212将流体输送到第一间隔118a中，第二注入工具212将流体输送到第二间隔118b中以及第三注入工具212将流体输送到第三间隔118c中。每个注入工具212均可在井孔102中定位、定向和/或以别的方式配置以控制例如进入地下区域104的相邻间隔118中的流体流的位置、流量、角度和/或其他特征。每个注入工具212被耦接至控制线214以接收从井孔表面110传输的控制信号。

在各种实施例中，可以以许多不同的方式控制控制工具212。每个注入工具212可基于从井孔表面110传输的控制信号而顺序地和/或同时地重构。因此，多个注入工具212可以在大体上相同的时刻和/或在不同的时刻被重构。每个注入工具212可基于从井孔表面110传输的控制信号被选择性地重构。同样，单个注入工具212可以被控制信号重构。在一些实施例中，多个注入工具212可以被单个控制信号重构。每个注入工具212均可基于从井孔表面110传输的控制信号而被连续地和/或重复地重构。同样，注入工具212可被打开、关闭和/或以别的方式重构多次。控制信号可包括压力幅度控制信号、频率调制电控制信号、数字电控制信号、幅度调制电控制信号和/或由控制线214传输的其他类型的控制信号。注入工具212可以使用例如由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）开发的FracDoor和/或DeltaStim套管技术以防止在注入工具212包含在通过水泥粘合到井孔102的壁上的外壳中的实施例中粘附在仪器上。注入工具212中的一个或者多个可被实施为使用可从哈里伯顿能源服务公司获得的由WellDynamics,Inc.开发的sFrac^TM阀系统。

仪器车204可包括移动的车辆、固定的设备和/或其他适合的结构。仪器车204包括控制和/监测由注入系统208实施的注入处理的注入控制子系统211。注入控制子系统211可包括参照图1描述的注入控制子系统111的特征。通信链路228可允许仪器车204与泵车206和/或在地表106处的其他设备通信。通信链路228可以允许仪器车204与井系统200中的传感器和/或数据采集装置（没有被显示出）通信。通信链路228可允许仪器车204与远程系统、其他井系统、被安装在井孔102中的设备和/或其他装置和设备通信。通信链路228可包括多个未耦接的通信链路和/或耦接的通信链路的网络。通信链路228可包括有线的和/或无线的通信系统。

控制线219、214允许仪器车204和/或其他子系统控制安装在井孔102中的注入工具212的状态。在所示的实例中，控制线219将控制信号从仪器车204传输到井孔表面110，并且安装在井孔102中的控制线214将控制信号从井孔表面110传输到注入工具212。例如，控制线214可包括参照图1描述的信号发送子系统114的性质。

注入系统208还可包括地表和井下传感器（没有被显示出）以测量处理和/或生产的压力、流量、温度和/或其他参数。注入系统208可包括用于启动、停止和/或以别的方式控制泵送的泵控制以及用于在注入处理期间选择和/或以别的方式控制被泵送的流体的其他类型的控制。注入控制系统211可以与这种设备通信以监测和控制注入处理。

如在图3中所示的系统200’中的一样，注入系统208已经压裂了地下区域104。裂隙302a和302b可包括沿任何方向和/或定向从井孔102延伸的任何长度、形态、几何形状和/或孔径的裂隙。在地下区域104中形成裂隙302a和302b改变了地下区域104中的应力。例如，裂隙的产生可以改变间隔118a、118b、118c中以及地下区域104中的其他地方的应力各向异性。作为被改变的应力的结果，有可能产生暴露巨大面积的储层的良好连接的裂隙网、更容易传导资源穿过区域104的裂隙网、产生从区域104进入井孔102的更大体积的资源的裂隙网和/或具有其他期望性质的裂隙网。例如，通过如图3中所示的两个位置的压裂，施加在这两个位置之间的随后注入可以产生复杂的裂隙网。

由液压注入形成的裂隙趋向于沿着或者近似沿着优选的压裂方向形成，该优选的压裂方向典型地与地层中的最大应力的方向有关。在所示的实例中，在形成两个裂隙302a和302b之前，优选的裂隙方向垂直于井孔102。裂隙302a和302b的形成改变了地层中的应力，并且因此也改变了裂隙在地层中形成的方式。例如，作为被改变的应力的结果，地层可以具有均匀性较小的优选裂隙方向。同样，改变应力各向异性可以导致更有利于产生复杂裂隙网的环境。

改变量级和方向的应力可以在地下地层中出现。在一些情况下，地下地层中的应力可以被有效地简化为三个主应力。例如，应力可由三个正交的应力分量表示，其包括沿着x轴的水平“x”分量、沿着y轴的水平“y”分量和沿着z轴的竖直“z”分量。可使用其他坐标系。三个主应力可具有不同的或者相等的量级。应力各向异性指地层中沿最大水平应力方向上的应力与沿最小水平应力方向上的应力之间在量级上的差值。

在一些情况下，可以假设作用在竖直方向上的应力近似等于地下区域104中的给定位置上方的地层的重量。关于作用在水平方向上的应力，主应力中的一个可以具有比另一个更大的量级。在图3和4中，被σ_HMax标记的矢量表示在被标记的位置中沿最大水平应力方向上的应力的量级，以及被σ_HMin标记的矢量表示在被标记的位置中沿最小水平应力方向上的应力的量级。如图3和4中所示的，最小和最大水平应力的方向可以是正交的。在一些情况下，最小和最大应力的方向可以是非正交的。在图3和4中，被标记的位置中的应力各向异性是σ_HMax和σ_HMin之间在量级上的差值。在一些实施例中，σ_HMax、σ_HMin或者两者都可以通过任何适合的方法、系统或装置确定。例如，可以通过用偶极声波井孔测井仪器运行的测井、井孔突破分析、压裂分析、裂隙压力测试或其组合确定一个或者多个应力。

在一些情况下，在地下区域内和/或在压裂间隔内存在水平应力各向异性的可能影响裂隙在所述区域或者间隔中形成的方式。高各向异性的应力可阻碍复杂裂隙网的形成、改变或者与复杂裂隙网的液力连通性。例如，在地层中存在显著的水平应力各向异性可导致裂隙沿着大体上单一方向打开。由于地下地层中的应力在平行于σ_HMax的方向上大于在平行于σ_HMin的方向上，所以在地下地层中的裂隙可以抵抗在垂直于σ_HMax的方向上打开。减小和/或改变在地下地层中的应力各向异性可以改变裂隙在地下地层中形成的方式。例如，如果σ_HMax和σ_HMin在量级上是大体上相等的，则更有可能在地层中形成非平行的和/或交叉的裂隙，其可以导致复杂的裂隙网。

在图3示出的实例中，间隔118a和118b中的裂隙302a和302b减小了地下区域104的部分中（包括裂隙302a和302b之间的间隔118b中）的应力各向异性。例如，图3中所示的σ_HMax和σ_HMin的量级之间的差值大于图4中所示的σ_HMax和σ_HMin的量级之间的差值。

在裂隙302a和302b被形成之后，注入工具212被重构。为了重构注入工具212，一个或者多个控制信号通过控制线214从井孔表面110传输至注入工具212。控制信号可包括液压控制信号、电控制信号和/或其他类型的控制信号。注入工具212以没有井干涉的方式配置。在所示的实例中，重构注入工具212包括关闭用于在间隔118a和118c中形成裂隙302a和302b的两个注入工具以及打开邻近第二间隔118b的注入工具。

如图4中所示的，被施加到间隔118b的注入处理在应力各向异性改变的区域中形成裂隙网402。当流体被注入到减小了应力各向异性的间隔118b（位于裂隙302a和302b之间）中时，所形成的裂隙具有多个不同的方向。裂隙网402可包括注入处理之前已经存在于地层中的自然裂隙，或者裂隙网402可以完全地由注入处理形成。裂隙网402可具有比应力各向异性被改变之前形成的裂隙302a和302b更高的表面积。更高的表面积可以提高地层的传导性，允许资源被更有效地从地下区域104生产到井孔102中。

裂隙网402可包括复杂裂隙网。复杂裂隙网可包括许多相互连接的裂隙。例如，复杂裂隙网可包括在多个位置连接至井孔的裂隙、在多个方位上、在多个不同的平面中、在多个方向上、沿着岩石中的裂痕和/或在储层的多个区域中延伸的裂隙。复杂裂隙网可以包括从多个点沿着一个井孔和/或多个井孔传播的裂隙的不对称网。

注入工具212在裂隙网402的形成期间或者之后可以被重构多次。例如，注入工具可以被重构一次或者多次以进一步改变地下区域104中的应力各向异性和/或改变裂隙网402。每次重构注入工具212的一个或者多个，控制信号可通过控制线214从井孔表面110被传输以选择哪个注入工具212被改变以及被改变的注入工具212的结果的状态。

图5是示出了用于压裂地下地层的示例性过程500的流程图。示例性过程500的所有或者部分可使用图1、2、3和4中示出的示例性井系统和/或其他井系统的特征和特性实现。在一些情况下，示例性过程500的方面可在单个井系统、多个井系统、具有多个相互连接的井孔的井系统和/或可具有任何适合的井孔方位的另一类型的井系统中执行。在一些实施例中，示例性过程500被执行以在地下地层中形成将提供资源产量的裂隙网。例如，从泥页岩储层和/或其他低渗透性储层中的水平井的水力压裂中可以提高从这些低渗透性储层中的天然气的产量。过程500、过程500的各个操作和/或操作的群组可被重复和/或同时地执行以实现期望的结果。在一些情况下，过程500可包括以相同或者不同次序执行的相同的、附加的、更少的和/或不同的操作。

在502，注入工具和控制线被安装在井孔中。井孔可以包括位于密闭气地层中的水平井孔。密闭气地层可包括煤、泥页岩和/或其他类型的地层。井孔可以包括竖直的、水平的、倾斜的、曲线形的和/或其他井孔方位。每个注入工具可基于注入工具的状态控制从井孔进入地下地层中的流体流。例如，每个注入工具可具有一关闭状态和允许流体以不同的流速、位置、方向等流进地层中的一个或多个打开状态。注入工具可以包括布置于井孔的一部分中的小数量的注入工具。注入工具可包括沿着水平井孔的长度（例如，长度的大部分或者整个长度）安装的多个注入工具（例如，5个、10个、100个或者更多）。

控制线可适于从井孔表面向每个注入工具传输控制信号以改变注入工具的状态。例如，控制线可从井孔外部的源向注入工具传输控制信号以打开、关闭和/或以别的方式重构注入工具。控制线可以包括液压控制线，且控制信号可以包括液压控制信号。控制线可以包括电控制线，且控制信号可以包括电控制信号（例如，数字电信号、模拟电信号、射频电信号和/或其他类型的信号）。控制线可允许注入工具以没有井干涉的方式重构。也就是说，每个单个注入工具的状态均可在无需卷绕管、钢丝绳落球机构或者类似的工具来打开或者关闭注入工具的情况下选择性地改变。控制线可允许注入工具在注入处理期间被重构。

在504，注入工具中的一个或者多个用于执行改变地层的区域中的应力各向异性的压裂处理。例如，多个注入工具可将流体注入到地层中以压裂地层，并且裂隙可改变所述裂隙附近的地层的部分中的应力各向异性。在一些情况下，应力各向异性在由压裂处理形成的裂隙之间的间隔中被减小。例如，压裂处理可包括使用第一注入工具和第三注入工具在地下地层中形成第一裂隙和第三裂隙，并且形成第一裂隙和形成第三裂隙可改变第一裂隙与第三裂隙之间的区域中的应力各向异性。改变应力各向异性的第一和第三裂隙以及多个其他裂隙可同时地或者顺序地形成。具有改变的应力各向异性的区域可横向地存在于裂隙之间（例如，水平地位于第一裂隙与第三裂隙之间）。

在506，通过经由控制线从井孔表面传输信号而重构注入工具。继续上文中的实例，重构注入工具可包括在形成第一裂隙和第三裂隙之后使用控制线从井孔表面向第一注入工具和第三注入工具传输一个或者多个控制信号。注入工具可包括将流体输送到地下地层中的阀，并且重构注入工具可包括在没有井干涉的情况下选择性地打开或者关闭阀中的至少一个。例如，控制信号可关闭用于形成改变应力各向异性的裂隙的注入阀，和/或控制信号可打开用于执行后续的压裂处理的其他注入阀。

在508，注入工具中的一个或者多个用于执行在地下地层的应力改变的区域中形成裂隙网的压裂处理。继续上文中的实例，形成裂隙网可包括使用第二注入工具在第一裂隙与第二裂隙之间的具有改变的应力各向异性的区域中形成裂隙网。在一些情况下，多个注入工具可用于沿着水平井孔的大部分或者整个长度形成裂隙网。

在510，对应用于应力改变的区域的压裂处理进行监测和分析。继续上文中的实例，当使用第二注入工具和/或其他压裂工具以形成裂隙网时，可对地下地层进行监测和分析。在一些实施例中，与裂隙压力判读相组合的实时裂隙映射的使用可被用来提供关于裂隙生长的信息，使得能够做出处理设计和执行上的改变以实现期望的结果。例如，监测压裂处理可包括采集微震数据、用测斜仪测量地面和/或井孔表面方向、和/或监测流体注入的流量、流压力和/或其他性质。裂隙映射技术例如可基于地下地层中的微震事件的位置和量级识别裂隙的位置。压力映射技术可例如基于压裂处理期间测得的流体压力和这些压力随时间变化的方式识别裂隙的性质。

过程500的操作中的一个或者多个可基于压裂处理的分析而被重复和/或再重复。例如，控制线可以随后被使用多次以通过从井孔表面传输其他控制信号而改变注入工具的状态。继续上文中的实例，当使用第二注入工具（和/或另外的注入工具）形成裂隙网时，第一注入工具、第二注入工具、第三注入工具和/或另外的注入工具可以被重构。注入工具的重构可基于压裂处理的测量和分析。可实时地执行压裂处理的分析和压裂工具的重构。也就是说，当压裂处理正在进行时可基于测得的和/或分析的信息而重构压裂处理系统和/或更新压裂处理方案。

在一些情况下，过程500的操作中的一个或者多个的重复包括从井孔表面经由控制线将多个连续的控制信号发送到注入工具以给注入工具选择多个连续状态。在该连续状态的每个状态中，可通过注入工具中的一个或者多个将流体注入到地下地层中以在地下地层中产生裂隙网。在压裂处理的期间在任何给定的时刻，每个注入工具可被重构多次。

在本文中，“每个”指群组中的多个项目或者操作中的每一个，并且可以包括群组中的项目或者操作的子集和/或群组中的项目或者操作的全部。在本文中，术语“基于”表示一项目或者操作至少部分地基于其他项目或者操作-并可排它地、部分地、主要地、次要地、直接地或者间接地基于一个或者多个其他项目或者操作。

本发明的许多实施例已经被描述。然而，将被理解的是在不偏离本发明范围的前提下可做出各种修改。因此，其他的实施例落在所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种压裂地下地层的方法，所述方法包括：

通过沿着井孔在地下地层中形成多个裂隙而改变所述井孔附近的地下地层中的应力；

经由信号发送子系统从井孔表面向安装在所述井孔中的多个注入工具发送多个控制信号以便为所述多个注入工具选择多个状态；

以及

在每个状态中通过所述多个注入工具中的一个或者多个将流体注入到应力被改变的地下地层中以在所述地下地层中形成裂隙网。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井孔是水平井孔。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个状态包括第一状态和所述第一状态之后的多个其他状态，所述其他状态中的一个或者多个基于在所述第一状态中通过所述多个注入工具注入流体的期间从所述地下地层接收的数据。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中：

改变所述地下地层中的应力包括：

通过第一注入工具从所述水平井孔向所述地下地层的第一间隔中注入流体；以及

通过第三注入工具从所述水平井孔向所述地下地层的第三间隔中注入流体；

选择所述多个状态中的第一状态包括：

基于经由所述信号发送子系统从所述井孔表面传输的第一控制信号关闭所述第一注入工具；

基于经由所述信号发送子系统从所述井孔表面传输的第三控制信号关闭所述第三注入工具；

基于经由所述信号发送子系统从所述井孔表面传输的第二控制信号打开第二注入工具；并且

将流体注入到所述应力被改变的地下地层包括：

通过所述第二注入工具将流体从所述水平井孔注入到所述地下地层的第二间隔中以压裂所述地下地层的所述第二间隔的至少一部分，所述第二间隔存在于所述第一间隔与所述第三间隔之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中向所述第一间隔中注入流体和向所述第三间隔中注入流体包括同时地向所述第一间隔和所述第三间隔注入流体。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，选择所述多个状态中的第二状态包括：在通过所述第二注入工具的注入期间基于经由所述信号发送子系统从所述井孔表面传输的第四信号而打开安装在所述水平井孔中的至少一个其他注入工具，所述至少一个其他注入工具包括所述第一注入工具、所述第三注入工具或允许流体流从所述水平井孔进入所述地下地层的第四注入工具中的至少一个。

7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中，选择所述多个状态中的第三状态包括：在通过所述第二注入工具的注入期间基于经由所述信号发送子系统从所述井孔表面传输的第五信号而关闭所述至少一个其他注入工具。

8.根据权利要求1或2的压裂地下地层的方法，所述方法包括：

在地下地层中的井孔中安装信号发送子系统和多个注入工具，每个所述注入工具基于所述注入工具的状态控制从所述井孔进入所述地下地层中的流体流，所述信号发送子系统适于从井孔表面向每个注入工具传输控制信号以改变所述注入工具的状态，所述多个注入工具包括第一注入工具、第二注入工具和第三注入工具；

使用所述第一注入工具和所述第三注入工具在所述地下地层中形成第一裂隙和第三裂隙，其中形成所述第一裂隙和形成所述第三裂隙改变了所述第一裂隙与所述第三裂隙之间的区域中的应力各向异性；

在形成所述第一裂隙和所述第三裂隙之后使用所述信号发送子系统通过从所述井孔表面传输一个或者多个控制信号而改变所述多个注入工具中的至少一个的状态；以及

使用所述第二注入工具在所述第一裂隙与所述第三裂隙之间具有被改变的应力各向异性的区域中形成裂隙网。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

当使用所述第二注入工具形成所述裂隙网时测量所述地下地层的性质；以及

当使用所述第二注入工具形成所述裂隙网时使用所述信号发送子系统通过从所述井孔表面传输一个或者多个其他控制信号而改变所述多个注入工具中的至少一个的状态，所述一个或者多个其他控制信号基于测得的性质。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述多个注入工具中的每个均包括控制从所述井孔进入所述地下地层的流体流的注入阀，并且使用所述信号发送子系统改变所述多个注入工具中的至少一个的状态包括在没有井干涉的情况下选择性地打开或者关闭所述多个阀中的至少一个。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，选择性地打开或者关闭所述多个阀中的至少一个包括：

在形成所述第一裂隙之后关闭所述第一注入工具的第一流体注入阀；

在形成所述第三裂隙之后关闭所述第三注入工具的第三流体注入阀；以及

打开所述第二注入工具的第二流体注入阀。

12.根据权利要求8、9、10或者11所述的方法，其中，使用所述第一注入工具和所述第三注入工具形成所述第一裂隙和所述第三裂隙包括同时地形成所述第一裂隙和所述第三裂隙。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，其中，所述信号发送子系统包括多条液压控制线，并且所述一个或者多个控制信号包括从所述井孔表面传输的一个或者多个液压控制信号。

14.根据权利要求8至13中的任一项所述的方法，其中，所述信号发送子系统包括多条电控制线，并且所述一个或者多个控制信号包括从所述井孔表面传输的一个或者多个电控制信号。

15.根据权利要求8至14中的任一项所述的方法，其中，所述多个注入工具被安装在水平井孔中，并且具有被改变的应力各向异性的所述区域横向地存在于所述第一裂隙与所述第三裂隙之间。

16.根据权利要求8至15中的任一项的方法，其中，所述地下地层包括密闭气储层。

17.一种用于压裂地下地层的系统，所述系统包括：

多个注入工具，所述多个注入工具安装在地下地层中的井孔中，所述多个注入工具中的每个基于所述注入工具的状态控制从所述井孔进入所述地下地层的间隔中的流体流，所述多个注入工具包括控制进入第一间隔的第一流体流的第一注入工具、控制进入第二间隔的第二流体流的第二注入工具、和控制进入第三间隔的第三流体流的第三注入工具，所述第二注入工具安装在所述井孔中位于所述第一注入工具与所述第三注入工具之间；以及

注入控制子系统，所述注入控制子系统通过经由安装在所述井孔中的信号发送子系统从所述井孔表面向所述多个注入工具发送控制信号而控制所述多个注入工具的状态，每个所述控制信号改变所述注入工具中的一个的状态以改变由所述注入工具控制的流，

所述地下地层包括：

被改变应力各向异性的区域，所述区域的各向异性被进入所述第一间隔的所述第一流体流和进入所述第三间隔的所述第三流体流改变；以及

被改变应力各向异性的所述区域中的裂隙网，所述裂隙网通过进入所述第二间隔的所述第二流体流形成。

18.根据权利要求17所述的系统，所述系统还包括数据分析子系统，所述数据分析子系统基于压裂处理期间从测量子系统接收的数据识别所述地下地层的性质，所述控制信号基于所述数据分析子系统识别的所述性质而在所述压裂处理期间被传输。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述测量子系统包括检测所述地下地层中的微震事件的多个微震传感器，并且所述数据分析子系统包括裂隙映射子系统，所述裂隙映射子系统基于从所述多个微震传感器接收的数据识别所述地下地层中的裂隙的位置。

20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述测量子系统包括安装在所述地下地层附近的地表处用于检测所述地表的定向的多个测斜仪，并且所述数据分析子系统包括裂隙映射子系统，所述裂隙映射子系统基于从所述多个测斜仪接收的数据识别所述地下地层中的裂隙的位置。

21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述测量子系统包括检测所述井孔中的流体的压力的多个压力传感器，并且所述数据分析子系统包括压力判读子系统，所述压力判读子系统基于从所述多个压力传感器接收的数据识别所述地下地层中的流体流的性质。

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