CN103270244A - 测试应变和压力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种检测方法，用于检测对第一井的处理效果，该方法包括以下步骤：将至少一个分布式声学应变传感器安装在至少一个测试井中，所述测试井与第一井的距离已知；开始对第一井进行处理；使用分布式声学应变传感器检测测试井周围的地层；以及，使用分布式声学应变传感器，检测测试井的第一位置上的应变变化，使用该应变变化来测定井处理情况。该传感器包括光缆。使用应变变化来表明井处理影响已经超出预定优选处理区的范围，该处理是压裂处理。可根据步骤e)中的测定结果来控制或停止井处理。

Description

测试应变和压力的系统和方法

相关申请

本申请请求享有美国临时申请序列No.61/425,603的优先权，该美国申请的申请日为2010年12月21日，该美国申请的全部内容组合在文中作为参考。

技术领域

本发明的公开内容通常涉及用于测量地下地层中的应变和/或压力的系统和方法。

背景技术

在油田操作中，经常需要测量由于井干预（如水压致裂和流体注入）所致的地层应变或压力变化。这些操作通常会在地层中形成高压，经常会导致岩石骨架崩溃（断裂），将使干预处周围的空间中的地层变形。测量这种地层应变可诊断干预效果，能更改干预参数，如果测量技术花费不高的话，将会带来显著的经济效益。在从不足一秒至若干年的时间尺度范围内可发生应变变化，这些应变变化存在于远离进行干预的井（处理井）的位置上，通常会影响与附近井交叉的岩石空间。类似地，检测出异常压力表明存在流体通道或可能存在崩溃或地层/凝结物。

当圆柱形结构（如套管）承受各种力时，可采用各种方法来将传送器和/或传感器应用到圆柱形结构中，然后使用传感器或传送器检测所述结构的变形状况；这些方法是公知的。例如，美国专利No.7,245,791公开了如下内容：温度变化表明光纤和其周围包裹有光纤的支撑结构（如井管和/或套管）发生其他应变，这些温度变化影响光纤的折射系数，从而可以考虑将温度变化单独用于校准应变测量值。

尽管存在上述方法，但是，以可接受的花费和准确度在处理井周围的空间中原位测量井干预期间的地层应变的方法目前还没有。可采用地面和垂直地震剖面（VSP）测量方法，但是，这些测量方法产生地层速度作为原始测量值，进而需要将该测量值转换成应变值，因而，这些测量方法不准确，需要进行校准。原理上，地层应变仪可布置在套管外侧的固定安装位置上，但是成本高得惊人，尤其是在以多个井和深度测点为目标的情况下。另外，有时需要检测处理井中的地层应变和/或压力，如果不能使用传统的压力和应变测量仪器就难以实现上述检测。

发明内容

本发明的公开内容提供了一种系统和原位固定检测方法，用于以可接受的花费和准确度测量处理井周围的空间中的地层应变。

在优选实施例中，本发明包括将DAS（数据采集系统）光纤安装在处理井和附近井中。激光进入井口装置上方的光纤中，通过地表上的光学元件检测反向散射信号。公知的光学时域折射（OTDR）方法优选用于根据来自于地层附近的光纤部分的反向散射信号来推断地层应变。可在不足一毫秒的时间尺度内询问所有深度，从而提供所有重要深度处的几乎即时的应变测量值。可同时对许多井进行应变/压力评估，从而在可能的大区域范围内提供体积应变或压力样本。可使用这些测量值诊断和修正地质力学模型；或，在结合或不结合其他测量值的情况下，使用这些测量值可直接干预处理操作。

在某些实施例中，本发明包括一种检测方法，用于检测井处理（如在第一井中的压裂处理或流体注入）效果，该方法包括以下步骤：a)将至少一个分布式声学应变传感器安装在至少一个测试井中，所述测试井与第一井的距离已知；b)开始对第一井进行处理；c)使用分布式声学应变传感器检测测试井周围的地层；d)使用分布式声学应变传感器，检测测试井中的第一位置上的应变变化；以及e)使用在步骤d)中检测的应变变化值或压力变化值来确定在步骤b)中对井的处理情况。本发明也可用于测定断裂网状结构或诱导水压致裂的横向、水平或竖向（地层）范围。

分布式声学应变传感器可安装在一个或更多个测试井中，每个测试井与第一井或处理井的距离为50m至5000m。每个分布式声学传感器优选包括光缆和相连的激光询问器，该询问器用于通过光纤发出以及接收光学信号。

在步骤d)中检测的应变变化可用于表明井处理影响已经达到或超出预定优选处理区的极限范围，根据步骤e)中的测定可控制或停止井处理。本发明也可用于测定关于第一井和测试井之间的地层的信息。

本发明的其他实施例涉及，在生产操作之前、过程中、以及之后在地层中对近处和/或远处应变或压力的延时测量。根据本发明，可在长的时间区段内—若干秒/若干分/若干天/若干周/若干月/若干年内—测量应变值，从而测量数据范围比标准地震数据范围更大。

文中使用的术语“井处理”表示，可在井中执行的任何流体注入或去除过程，包括压裂处理（fraccing）、溶剂注入、生产以及类似过程。

附图说明

为了更充分理解优选实施例，请参照附图，该附图示意性示出了根据本发明第一实施例的系统。

具体实施方式

本发明公开内容通常涉及一种系统和方法，用于探测一个或更多个测试井中的应变或压力、使用收集的信息来控制处理井的过程或获知这些处理的效果。

在一个实施例中，包括本领域公知的光缆的分布式声学传感器配置在一个或更多个测试井中，测试井布置在离处理井一定距离的位置上。处理井与任何指定测试井之间的距离在50m至5000m范围内。如果使用一个以上的测试井，测试井布置在处理井的相对侧或环绕处理井等间距布置，或者，测试井所处的位置由井周围的地质概况和/或地形决定。如果使用一个以上的测试井，能收集关于地表下的更多数据，从而提供更有用的信息。

首先参照图1仅通过实例进行描述，根据预定计划优选地布置处理井10和测试井20。在某些实施例中，处理井是将在其中进行压裂处理或其他注入操作的井。

处理井10可包含一个或更多个管件，可以施加套管，如图所示。在某些情况下，井处理包括：在相当高的压力下如箭头11所示将流体泵送到井中以压裂附近地层，以形成裂缝13。

被设计成收集分布式应变测量信息的一个或更多个光缆12布置在测试井20中，通过任何合适的装置连接到地层中。在所示的实施例中，测试井20中已经施加有水泥，使光纤传感器嵌入在水泥中。应理解：光纤也可被夹紧或粘结到井下管件上，或通过任何其他装置被声学地连接。含有激光源和信号接收装置的一个或更多个光盒14光学地连接到位于地面的光纤上。光缆可以是双端式的，即光缆可在中间部分向后折叠以使光缆的两端位于信号源处；或者，光缆可以是单端式的，其一端位于信号源处，另一端位于远离信号源的位置上。光缆的长度范围可为几米至几千米，或者甚至为几米至几十万米。如果光接收装置仅位于光缆的信号源端，或者光接收装置设置在光缆的第二端处，那么，在两种情况下均可单独根据反向散射光进行测量，从而，也可测量光缆第二端的光强度。

在某些实施例中，光源可以是相干距离长的稳相激光，用于沿光纤传递直接序列扩频编码光。局部应变或其他破裂会引起光纤程度小地发生变化，进而改变反向散射光信号。因而，返回的光信号含有关于应变变化的信息、以及表明沿光纤在何处发生应变变化的位置信息。在某些实施例中，使用扩展频谱编码方法测定沿光纤的位置，这种编码方法可独特地编译沿光纤长度范围的时间流逝情况。

需要进行测量时，光源将至少一种光脉冲传递给光缆端部，反向散射信号被接收在信号接收装置中。公知的光学时域折射（OTDR）方法优选用于根据靠近所关注的地层的光纤的一个或更多个部分的反向散射信号推断出地层应变。

使用本发明，可在处理过程期间测量测试井或处理井中的地层应变或压力；如果需要，可在此后的一段时间内，提供关于地层应变或压力随时间发生变化的信息。表明处理井中的注入效果达到或超出预定优选处理层的限制范围之外的应变测量是特别重要的。因而，例如，优选地，至少在注入期间通过光缆12探测由于注入流体所致的地层应变。另外，由于应变诱导断裂引起的声结果也可通过光缆12探测。

类似地，受压区的测量值可用来检测激波阵面的运动。地层中的压力将引起板块扩张，即，在所有方向上各向同性应变。定位在任何方向上的光纤在经过压力改变区—“激波阵面”时将会检测出这种应变。

能在不到一毫秒的时间尺度内询问所有深度，从而提供所有所关注的深度处的几乎即时的应变测量值。可同时对许多井进行应变和压力评估，从而在可能的大区域范围内抽取体积应变样本。可使用测量值诊断和校正地质力学模型；或者，在结合或不结合其他测量值的情况下，可使用该测量值直接干扰处理过程。因而，本发明可控制压力来降低对地层之外的区域造成的影响，也可根据所测的连通性更充分获知生产情况。

除了前述内容以外，也已经发现，应变异常通常从处理井传播到附近的井中，在应变异常到达附近的井之后不久，应变异常就延展井眼向上和向下传递，从而在相当大的竖向柱范围内形成压力连通性（使用压力计来测量现场数据）。这对于地层的最优生产是不适宜的。本发明能使用测试井中的DAS信号来检测处理情况，当井间建立最初的连通性时可停止泵送。

本方法的勘测频率没有固有的下限值，因而，本发明在长的时间尺度范围内仅受硬件稳定性的限制。具有各种反向散射测量方法，包括使用瑞利（Raayleigh）反向散射和布里渊（Brillouin）反向散射；尤其在低频下实施本发明，有一种方法优于其他方法。

从本发明提供的相关技术知识受益的本领域普通技术人员可明显看出，可采用不同但等同的方式改进和实践本发明所请求保护的主题，因而，上面公开的具体实施例仅是阐释性的。另外，除了下面的权利要求书所述的内容以外，并没有限制文中所示的结构或设计的细节内容。因而，可明显看出，可更改或改进上面公开的具体的示例性实施例，这些所有的变形形式应认为在本发明请求保护的主题的范围和实质内。本领域的普通技术人员仅通过实例将能意识到，可在本发明的范围内更改以下内容：测试井相对于第一井的数量和位置、缆线和传感器的数量和结构、所使用的光的取样速度和频率、以及，缆线、连接装置、光源、光信号和光电探测器的特性。已经通过其他实例描述了实施例，在这些实施例中，光纤布置在与处理井隔开的一个或更多个井中。应该理解为，光纤也可布置在处理井中。另外，将能理解为，这种布置操作尽管复杂、耗时，但是对于从本公开内容受益的本领域普通技术人员来说是常规任务。

上述内容特别描述了本发明公开的主题。但是，这些描述内容本身并没有限制所请求保护的主题的范围。因而，也可以其他方式体现所请求保护的主题，包括，结合现有的其他技术或未来技术，采用不同步骤或组合类似于文中所述的步骤。另外，尽管术语“步骤”在文中意为所用的不同方法，但该术语不应解释为暗含文中公开的各步骤之间的任何特定次序，除非文中清楚阐明各步骤的次序。

仅出于阐述目的，下面描述了实施本发明的基本原理的两个实例。

实例1：水压致裂法

根据第一示例性实施例，可根据下列工作流程使用分布式OTDR传感技术探测水压致裂：

-将一个或更多个DAS光纤布置在目标水压致裂操作附近的一个或多个井中；

-在该区域进行水压致裂之前，沿光纤记录噪声值作为控制测量值；

-开始泵送压裂液时，对于任何或所有压裂阶段和流体类型（包括测试压裂），记录井中地层受压裂操作影响的所有位置的应变场，其中应变场由DAS系统测量；

-使用地质力学模拟法模拟应变场与时间和空间的函数关系；

-通过模拟值，预测DAS光纤已经测量的位置处的轴向应变测量值；

-比较预测值和测量值，调整地质力学模型参数来最小化两值的差异；

-使用新的地质力学模型进一步预测，将预测值与DAS（或其他）测量值比较；

-使用新的地质力学模型来最优化穿孔位置和泵送进程（以及任何其他相关参数），通过最新模型的预测值以及新的穿孔位置和泵送进程，来预测油田在使用期限内的最优生产情况；

-通过算入填充式水压致裂、重新完成压裂、长期损耗的数据或由于生产操作对地层所致的其他应变变化的数据，保持地质力学模型持久。

除水压致裂检测以外，前述工作流程普遍适用，包括可通过DAS测量的任何地层运动（包括但不局限于压力或径向应变）。

实例2：损耗

根据第二示例性实施例，使用本发明的方法来测量损耗油田的时间相关的应变。更具体而言，本发明的方法提供了一种方式，用来测量储层中的中等分辨率差的损耗。考虑到光纤传感器的成本和实用性，可构建损耗诱导应变的区域图片。

因而，根据该实施例，根据下列工作流程使用分布式OTDR传感技术探测和监测油田损耗：

-将一个或更多个DAS光纤布置在目标水压致裂操作附近的一个或更多个井中；

-在油田启动之前，沿光纤记录噪声值作为控制测量值；

-启动油田损耗时，DAS系统测量所有测试井中的应变场；

-使用地质力学模拟法模拟应变场与时间和空间的函数关系；

-通过模拟值，预测DAS光纤已经测量的位置处的轴向应变值；

-比较预测值和测量值，调整地质力学模型参数来最小化两值差异；

-根据要求改变模型以匹配地层不同部分的沉降/损耗的数据显著差异，从而引起局部干扰；

-或者，对于应变变化更大或更小的区域而言，即使没有地质力学模型的帮助，衰竭区/损耗区也是明显的；

-如果光纤也被构造成用于测量地层压力，那么可通过应变和压力来调节岩石的可压缩性。

尽管本发明具有上述的具体优点，但是也可有利地使用本发明来探测其他原因引起的井间影响，也可用来检测关于井间地层的属性的信息。相应地，下面的权利要求书阐明了本发明请求的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测方法，用于检测对第一井进行井处理的处理效果，该方法包括以下步骤：

a)将至少一个分布式声学应变传感器安装在至少一个测试井中，所述测试井与第一井的距离已知；

b)开始对第一井进行井处理；

c)使用上述分布式声学应变传感器检测测试井周围的地层；

d)使用上述分布式声学应变传感器，检测测试井的第一位置处的应变或压力变化；以及

e)使用在步骤d)中检测的应变变化值来测定在步骤b)中对井的处理情况。

2.根据权利要求1的方法，其中，分布式声学应变传感器安装在至少两个测试井中。

3.根据权利要求1的方法，其中，每个测试井与第一井的距离为50m至5000m。

4.根据权利要求1的方法，其中，分布式声学传感器包括光缆。

5.根据权利要求1的方法，其中，步骤d）中检测的应变变化表明，井处理的影响已经达到或超出预定的优选处理区的极限范围。

6.根据权利要求1的方法，其中，井处理是压裂处理。

7.根据权利要求1的方法，还包括步骤，根据步骤e)中的测定结果来控制井处理。

8.根据权利要求1的方法，还包括步骤，根据步骤e)中的测定结果来停止井处理。

9.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤，在与第一位置竖向隔开的一个或更多个位置检测其他应变变化，所述其他应变变化与步骤d)中检测的应变变化相关。

10.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤，使用步骤d)中检测的应变变化来测定关于第一井和测试井之间的地层的信息。

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