CN109564296B - 用于检测反射液压信号的井中对象的方法和系统 - Google Patents

用于检测反射液压信号的井中对象的方法和系统 Download PDF

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Abstract

所提出的方法涉及烃生产，具体来说涉及通过基于在井口处记录的井压数据的倒谱分析进行数据分析来监测井操作。所述方法采用检测井中液压信号反射对象，其中：为填充有流体的井提供能够传播液压信号的流体；提供液压信号源，所述源与所述井流体连通并且设计成产生液压信号；提供压力传感器，所述压力传感器记录所述液压信号并且与所述井和至少一个液压信号源流体连通。在井操作期间利用所述压力传感器记录所述液压信号；以及获得压力倒谱图并且在所述压力倒谱图上找到强信号。然后，在所述井中检测反射所述液压信号的对象的位置。提出了一种用于构建压力倒谱图并检测井下对象的系统。

Description

用于检测反射液压信号的井中对象的方法和系统
发明领域
本公开涉及烃生产，具体来说涉及基于在井口处记录的井压数据的倒谱分析在实时和后期工作数据分析两者中自动监测井操作，例如水力压裂。
在水力压裂期间在井口处观察到的且由流体流动变化(水锤)、穿孔射击、液压泵操作和其他来源引起的压力振荡在石油和天然气工业中是众所周知的。由井中的这些技术事件产生的管波以一定的速度沿着井筒传播并且从井内的液压阻抗变化的边界反射。以下可以作为这种边界(管波的阻抗变化)的示例：井口、水力压裂缝、井中的内径变化(套管直径变化)。液压阻抗是振荡压力与振荡流体流量之比(Holzhausen&Gooch，1985)。
激励和反射的压力脉冲可以在用压力传感器获得的记录上识别，然后通过确定振荡的周期、振幅和极性来处理；当已知井中管波的传播速度时，可以确定反射器的深度和对应的液压阻抗。通过分析水力压裂缝的液压阻抗来确定水力压裂缝的深度和几何形状的方法的基础在一些论文中提出(Holzhausen&Gooch，1985)或在专利US4802144中描述。在现有技术部分中列出了该方法的细节和用于倒谱分析的公认术语。
井中压力振荡分析的结果可以在实时和后期工作分析中的水力压裂中用于：评估裂缝入口处压裂液分流器的效率；评估裂缝几何形状(宽度和长度)；识别由于支撑剂在井筒中沉降(筛出)而导致的水力压裂紧急停工事件；套管中泄漏诊断(套管缺陷)；不希望的水力压裂诊断；监测接收压裂液的顶点以确定将支撑剂从井筒位移到裂缝所需的流体体积。
为了使用这样的分析，本领域技术人员查找压力传感器记录以找到并区分与那些事件相关联的压力振荡事件，然后确定激励和反射脉冲，并手动测量振荡周期和振幅。然后，如果已知井中管波的传播速度，则确定反射器的深度。
然而，压力读数的手动处理很容易适用于诸如水锤等事件，其中激励和反射信号是具有明确限定的峰值的尖锐压力脉冲，但是不适合于其中激励和反射信号是例如通过液压泵冲程的振荡产生的复合波的情况。手动数据处理的另一个缺点是其效率低，这限制了它的实时使用，而且也限制了在执行工作之后，当快速处理大量数据(特别是如果有用信号带有来自操作装置的噪声)时的使用。
因此，本公开提出了一种方法，该方法可通过确定管波反射器的实际位置(深度)来自动识别和处理井中的压力振荡事件。
根据该解决方案公开了一种用于监测诸如水力压裂的井操作的低成本方法。监测是在实时和后期工作数据分析两者中执行。该方法基于记录的井压的倒谱分析。
所要求保护的用于检测井对象并确定其位置(或通过其位置确定事件)的方法是基于压力倒谱图(pressure cepstrogram)的构建，所述压力倒谱图是倒谱随时间变化的视觉表示。利用算法检测并在倒谱图上跟踪压力振荡，然后确定其周期和极性，其周期和极性又用于确定相应井反射器(例如，完井元件)的深度和类型。
背景技术
现有技术解决方案US 7100688“Fracture monitoring using pressure-frequency analysis”建议使用在水力压裂过程期间在井筒中发生的变化，其可以产生或反射压力信号。在水力压裂期间捕获和处理这种压力波使得本领域技术人员能够实时或在执行工作之后监测井中的过程。水力压裂缝的延伸导致声学噪声的爆发，其与来自其他源的噪声一起变成压力波(或信号)。可以通过将压力信号从时域变换到频域来监测该声学噪声。在本公开中，原始信号的连续时间切片处的频谱的瀑布图用于确定频率脊，例如指示裂缝延伸的频率减小的脊，以及频率增加的脊(指示裂缝闭合或支撑剂填充裂缝)。该解决方案基于对信号频谱的连续监测。
现有技术解决方案US 8838427“Method for determining the closurepressure of a hydraulic fracture”提出了一种涉及地下地层的水力压裂领域的方法。根据该方法，产生了井筒内和裂缝内的压力脉冲传播的数学模拟模型。压力脉冲被发送到井筒；以及记下(register)裂缝对压力脉冲的响应。然后，确定对应于每个脉冲的井底压力。通过使用井筒内和裂缝内的压力脉冲传播的数学模拟模型来导出平均裂缝宽度。确定模拟平均裂缝宽度与确定的井底压力之间的比。将该比外推至零宽度点，而将裂缝闭合压力确定为对应于零宽度的井底压力。
然而，在本公开中，振荡被人工激励(压力脉冲发生器)而非使用来自操作设备的自然振荡。未公开对振荡的检测。
现有技术解决方案US7313481“Methods and devices for analyzing andcontrolling the propagation of waves in a borehole generated by water hammer”提出了一种用于模拟井筒中的水锤波的方法，其用于估计地层参数(例如孔隙度和渗透率)并设计完井元件。模拟方法使用具有多个层的模型，并且所述层中的至少一个包括径向分层。由水锤分析确定的地层数据用于井开发作业。
然而，在本公开中，人工激励振荡(泵的停止/启动引起称为水锤的事件)而非使用自然振荡。没有要求检测振荡。
现有技术解决方案US 5170378A“Hydraulic impedance test method”提出了一种用于确定井中裂缝的高度和长度的方法。它涉及在井中产生压力波。压力脉冲沿着井筒传播；以及记下来自裂缝的口部和尖端两者的压力脉冲的反射。反射表示为随时间的压力波动。建立了井筒-裂缝系统的理论模型，其中液压阻抗是参数。调整所述模型中的阻抗参数提供了从裂缝的口部到尖端的距离。该方法取决于所设计的一维阻抗模型的质量。
发明内容
根据本公开，提出了一种用于检测井中的液压信号反射对象的方法，其中：提供填充有能够传播液压信号的流体的井；提供至少一个液压信号源，所述至少一个液压信号源与井中的流体连通并且设计成产生液压信号；提供至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器用于记下液压信号并且与井和至少一个液压信号源流体连通。记录液压信号，这在井操作期间利用至少一个压力传感器记录液压信号，并且然后在压力倒谱图上找到强信号。然后，基于在压力倒谱图上找到的强信号的峰值，检测反射液压信号的在井中的至少一个对象。
此外，根据一个实施方案，通过测量来自位于已知深度处的至少一个指定对象的反射信号的行进时间，或者依据诸如密度、弹性模量等流体性质以及诸如杨氏模量、套管壁厚度等井性质以及诸如剪切模量等围岩性质，确定井筒中的流体中的液压信号传播速度。然后，基于压力倒谱图上的强信号值的峰值来确定井中的液压信号反射对象的深度，所述峰值指定反射的液压信号的行进时间的轮廓。然后，通过强信号的符号来识别液压信号反射对象的类型，所述符号是正或负符号中的一个。
还提出了一种系统，所述系统被设计用于实现用于检测井中的液压信号反射对象的方法的上述实施方案。
附图说明
在下文中，借助附图更详细地描述了本公开的实施方案，附图中：
图1示出了井中原始信号的反射和卷积模型。
图2示出了具有平滑频谱的脉冲源和具有一个裂缝的井筒反射率在时域、频域和倒谱域中的卷积方程的示例。
图3示出了具有周期性频谱的周期性源和具有一个裂缝的井筒反射率在时域、频域和倒谱域中的卷积方程的表示的示例。
图4示出了在安装用于水力压裂的桥塞和新间隔的穿孔期间在井口处记录的压力的倒谱分析的示例。
图5示出了在井口处记录的、针对重复水力压裂的两个连续阶段记录的压力的倒谱分析的示例。
图6示出了在流体(支撑剂悬浮液)以3.2m3/min的流率注入到井中期间监测位于3,756m深度处的开口裂缝的位置的模拟示例。
图7示出了在流体(支撑剂悬浮液)以3.2m3/min的流率注入到井中期间监测位于3,662m深度处的开口裂缝的位置的模拟示例。
具体实施方式
根据本公开，提供了一种低成本方法，其基于井口处记录的井压数据的倒谱分析在实时和后期工作数据分析两者中监测井操作，例如水力压裂。特别地，该方法将能够检测井中存在的液压信号反射对象、确定液压信号反射对象所处的深度以及确定液压信号反射对象的类型。
根据所要求的用于井操作的自动监测的方法，总共提供了其中执行操作的井、管波源、原始激励信号和用于记下包含源和反射信号的压力振荡的传感器；然后处理所接收的液压信号并形成压力倒谱图，其用于确定井中液压信号反射对象的存在，以及该对象的深度和类型。
源信号可以通过以下各项产生：在水力压裂期间产生的压力脉冲的自然源，诸如由压裂液流动的变化引起的水锤；穿孔枪的致动；液压泵冲程的振荡等；以及使用人工产生的压力脉冲的来源，例如，通过以脉冲方式将流体流入或注入井中。
在图1中，井100与储层102中的一个或多个裂缝101相交，并且具有井口103、井底104，具有不同内径的完井元件105，或具有不同的液压阻抗(即振荡压力与振荡流体流量之比)的其他液压信号反射对象。
由液压信号源106以上述方式产生的源压力信号，以大约1,500m/s的速度沿着井筒传播，并且连同从液压阻抗变化边界反射的信号(反射信号)一起可以由安装在井中的压力传感器107记下。反射信号包含有关反射器的位置的有用信息。
来自压力传感器的压力数据被传送到数据收集和处理系统108，数据收集和处理系统108可视化并存储结果。
类似于所记下地震道的卷积模型(从地震勘测操作中得知(Yilmaz和Doherty，2000))，引入所记下的井中压力振荡记录x(t)的卷积模型，该卷积模型可以表示为源信号s(t)与井筒反射率w(t)的数学卷积运算，如图2所示。
x(t)＝s(t)*w(t) (1)
井筒反射率w(t)是卷积方程(1)中的未知参数。通常，它是一个最小相位衰减脉冲序列，其位置对应于从井内阻抗变化边界反射的波的到达时间，并且振幅由井中波的衰减和来自相应反射器的反射系数确定。当已知沿着井筒的信号传播速度和衰减(它们取决于流体和井筒壁的机械性质)时，并且当求解关于未知井筒反射率w(t)的卷积方程(1)时，可以确定反射器的深度和类型。在地震勘测中，使用源信号s(t)的知识，通过在时域或频域中使用反卷积来求解卷积方程，所述源信号与井中压力振荡记录的分离是耗时的或不切实际的过程。
根据本公开，提出将倒谱分析应用于卷积方程(1)，其允许确定波到达时间和井筒反射率w(t)中的振幅系数的正负号，而无需确定未知源信号s(t)。
倒谱分析的理论基础
倒谱是一种用于数字数据处理的非线性算法，它对信号中的反射敏感，并且具有广泛的应用范围：从地震学中的爆炸和地震检测到声音处理中的语音识别和合成。倒谱的概念最初是在(Bogert，Healy，&Tukey，1963)论文中引入的。复倒谱将逆傅立叶变换应用于原始信号的前向傅里叶变换的对数(Oppenheim&Schafer，1975)。
Figure BDA0001966000990000071
名称“倒谱(cepstrum)”是“频谱”一词的变形词。自变量是时间的度量，并且根据频谱频率类推被称为“倒频(quefrency)”，并且倒谱幅度被称为“倒幅(gamnitude)”(Bogert，Healy，&Tukey，1963)。
在频域中表示方程式(1)。根据卷积定理，它将被重新排列为乘积：
X(ejω)＝S(ejω)·W(ejω) (3)
本文中X(ejω)，S(ejω)和W(ejω)分别是井中压力振荡记录x(t)、源的原始信号s(t)和井筒反射率w(t)的傅里叶变换。
将来自方程式(3)的乘积代入复倒谱(2)的表达式中，并使用乘积的对数是对数的总和的事实，将获得倒谱域中卷积方程的表示：
Figure BDA0001966000990000081
这意指在倒谱域中，井中压力振荡记录的复倒谱
Figure BDA0001966000990000082
是源的原始信号的复倒谱
Figure BDA0001966000990000083
和井筒反射率的复倒谱
Figure BDA0001966000990000084
的总和：
Figure BDA0001966000990000085
下面是方程式(5)的分析，如井中最常见信号源的示例所示：单脉冲(水锤)和周期性(由泵冲程的振荡引起)。
根据(Tribolet&Oppenheim，1977)，如果函数w(t)是时矩τ1，τ2，...τM下的最小相位衰减脉冲序列，则其复倒谱
Figure BDA0001966000990000086
在倒频值为0＜τ＜τ2-τ1时等于零。此外，复倒谱
Figure BDA0001966000990000087
无论何时都等于零，除了τ2-τ1，τ3-τ1，…τM-τ1和其正线性组合以外。根据(Stoffa，Buhl，&Bryan，1974)，复倒谱
Figure BDA0001966000990000088
在这些点的值将具有与函数w(t)的相应脉冲的振幅相同的正负号。特别地，例如，来自裂缝的反射(液压阻抗低于井筒的液压阻抗)将本身表现为复倒谱
Figure BDA0001966000990000089
中的负脉冲。例如，来自井底的反射(其液压阻抗高于井的液压阻抗)将本身表现为复倒谱
Figure BDA00019660009900000810
中的正脉冲。
如果源信号s(t)是由水锤或穿孔枪的致动引起的，则其将具有脉冲形式和平滑频谱S(ejω)。然后，根据(Tribolet&Oppenheim，1977)，源信号
Figure BDA00019660009900000811
的复倒谱的非零值位于小倒频值区域中，即复倒谱
Figure BDA00019660009900000812
其中倒频值不超过一定的阈值τ＜Ts。
在图3中给出了具有平滑频谱的单脉冲源和具有一个裂缝的井筒反射率在时域、频域和倒谱域中的卷积方程的示例性表示。来自裂缝的管波的反射系数是负的，这导致用于井筒反射率w(t)的交替的脉冲序列。根据上述特征，井筒反射率
Figure BDA00019660009900000813
的复倒谱的第一脉冲的位置对应于其在时域中的周期，并且其正负号对应于来自裂缝的反射系数的正负号。因此，当已知管波的速度时，反射器
Figure BDA00019660009900000814
的深度和类型可以从井筒反射率的复倒谱得到。井筒反射率的复倒谱
Figure BDA0001966000990000091
通过使倒谱域中的压力振荡记录归零获得：
Figure BDA0001966000990000092
对于|τ|＜Ts。
如果源信号是s(t)由地面上的液压泵冲程振荡引起的，则其可以简化的形式表示为由单冲程脉冲s0(t)引起的信号的无限和，所述信号由冲程之间的周期Tp隔开。在数学上，它可以单冲程脉冲s0(t)(具有无限等间隔单脉冲序列)的信号的卷积的形式表示为：
Figure BDA0001966000990000093
利用时域中的卷积变为倒谱域中的总和的事实，以及使用无限等间隔脉冲序列的复倒谱的表达式(Stoffa，Buhl，&Bryan，1974)，可以获得周期性源的复倒谱的表达式：
Figure BDA0001966000990000094
周期性源的复倒谱
Figure BDA0001966000990000095
是单冲程脉冲的信号的复倒谱
Figure BDA0001966000990000096
的总和，它也位于小倒频值和衰减脉冲序列的区域中，所述衰减脉冲序列也被冲程脉冲时间Tp隔开。
在图3中以时间、频率和倒谱图的形式给出了周期性脉冲和具有一个裂缝的井筒反射率的卷积模型的示例性表示。井筒反射率的复倒谱
Figure BDA0001966000990000097
可以与位于小倒频值区域中的单冲程的复倒谱
Figure BDA0001966000990000098
分离，并且与形成源的复倒谱
Figure BDA0001966000990000099
的第二项的衰减脉冲序列分离，所述源的复倒谱具有规则模式。类似于具有脉冲源的上述示例，当从井筒反射率的复倒谱
Figure BDA00019660009900000910
中知道井中的管波速度时，可以确定反射液压信号的对象的深度和类型。特别地，强信号的正号对应于具有比井筒的液压阻抗更高的液压阻抗的液压信号反射对象的类型，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：井的底部、用于套管井的隔离装置、套管直径减小的位置以及在井筒中的支撑剂积聚。同时，强信号的负号对应于具有比井筒的液压阻抗更低的液压阻抗的液压信号反射对象的类型，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：套管井中的水力压裂缝、无套管井中的水力压裂缝、套管直径增加的位置以及套管缺陷。
这些理论示例表明，反射信号在倒谱域中可易于区分，并且允许确定液压信号反射对象的深度和类型。实际上，信号具有比上述示例更复杂的形式，并且可能带有噪声。为了区分实际数据中的反射信号，权宜之计是使用所谓的实倒谱而非复倒谱。将信号x(t)的傅里叶变换以指数形式
Figure BDA0001966000990000101
表示并将其代入复倒谱(2)的表达式中，可以将该复倒谱(2)表示为两个成分的总和：
Figure BDA0001966000990000102
表达式(8)中的第一项是频谱的振幅成分的逆傅里叶变换，并且被称为实倒谱，而第二项被称为相位倒谱。与复倒谱不同，它是不包含有关信号相位的信息的实倒谱，其对信号中的反射最敏感。通过平方从实倒谱获得的功率倒谱也将对信号中的反射敏感。
根据本公开，构建压力信号的倒谱图，其是随时间变化的倒谱的视觉表示。适当时，在构建倒谱图之前，从原始信号中去除趋势(零频率)成分。为了构建倒谱图，将压力信号分成通常重叠的多个部分。然后，在倒频范围内对于这些部分中的每个部分计算倒谱，其对应于预期的井筒反射率：τ2-τ1≤τ≤τM-τ1。每个部分对应于图像上的一条竖直线：倒谱的倒幅值取决于任何给定时间的倒频。时间绘制在倒谱图的横轴上。
适当时，可以使用沿时间轴的移动平均值对倒谱图进行过滤，以增加信噪比。
根据井筒反射率的复倒谱
Figure BDA0001966000990000103
的上述特征，由来自液压阻抗低于井的对象(诸如水力压裂缝)的管波反射引起的压力振荡，本身表现为在倒谱图上在相应的倒频值下的负倒幅值。
类似地，由从液压阻抗高于井(井底)的对象反射的信号引起的压力振荡，本身表现为在倒谱图上在相应的倒频值下的正倒幅值。
根据本公开，当倒谱图上的正峰值或负峰值的倒幅的绝对值超过用户设定的阈值时，检测压力振荡。
从井中的反射边界反射的波的行进时间轮廓τk(t)通过跟踪超过用户设定的阈值的在倒谱图上的正峰值的最大值和负峰值的最小值来确定。时间轮廓的位置确定井中压力振荡的时间间隔。如果预先知道井筒中的管波(液压信号)的行进速度，a则井中反射器的深度L(t)k被确定为：
Figure BDA0001966000990000111
通常，井中的管波速度可以基于井中流体的性质(诸如：密度和体积弹性模量)以及完井元件的性质(诸如套管的杨氏模量和围岩的剪切模量(Holzhausen&Gooch，1985)、US5081613)来估计，或通过从具有已知深度的对象(这些对象可能是完井元件)反射的净压力脉冲的波行进时间校准来确定。
特别地，以下表达式可用于确定管波速度：
Figure BDA0001966000990000112
其中：E是套管的杨氏模量，K是流体的体积弹性模量，ω是流体的密度，d是套管的内径，e是套管壁厚度，c＝Ee/(Gd+Ee)，其中G是围岩的剪切模量。
示例性实施方案
示例1
图6示出了在流体(支撑剂悬浮液)以3.2m3/min的流率注入到井中、随后将泵停止期间监测位于3,756m指定深度处的开口裂缝的位置的模拟示例。该示例是使用用于模拟井中管波的软件产生的。在该示例中，沿井筒的液压信号的传播速度为1,350m/s。
上图示出了随时间(s)变化的主要(未处理)压力信号(以atm测量)和流体流量的记录。压力信号包含在0到400s的时间间隔内由操作液压泵(信号电平未示出)的泵冲程振荡引起的信号，以及当在400至500s的时间间隔内将泵停止时由水锤引起的压力振荡引起的信号。
下图示出了对于来自上图的合成压力信号构建的倒谱图。在横轴上绘制的倒谱图的时标对应于主要压力信号的标度。并且反射信号的深度标度(在考虑到信号传播速度的情况下在右侧的纵轴上构建)对应于在左侧的纵轴上绘制的倒频的参数。倒谱图上的白线表示信号行进时间的轮廓，其对应于倒谱图上的强负信号。可以看出，由不同类型的液压信号源(泵冲程振动或由泵停止引起的水锤)引起的信号行进时间轮廓的位置等于在井图(右侧)上指示的(指定)裂缝深度。
示例2
图7示出了在流体(支撑剂悬浮液)以3.2m3/min的流率注入到井中、随后使泵停止期间监测位于3,662m指定深度处的开口裂缝的位置的另一个示例。可以看出，当裂缝深度改变时，对应于倒谱图上的强信号的信号行进时间的轮廓也对应于新的裂缝深度。
从示例1和示例2可以看出，泵冲程振荡和水锤两者都可以充当信息性信号源，用于记录压力曲线(并获得信息性倒谱图)。
在上面提供的示例中，液压信号源的概念意指将源放置在井内或井口处与井筒直接接触，即，呈确保液压脉冲从压力源传播到填充有流体的井筒中的任何配置。因此，地面泵(连接到井口处的歧管)是本公开中的液压信号源。
示例3
图4示出了井上的实际工作与处理液压信号的示例。示出了在安装用于水力压裂的桥塞和新间隔的穿孔期间在井口处记录的压力倒谱分析。上部的净正峰值和下部的负峰值分别用暗线和亮线标记。小圆圈指示“手动”测量的反射深度。暗横线指示井中内管直径减小的深度，且白线对应于穿孔深度。
压力记录包含在井的水平部分中泵压穿孔枪之后使泵停止所引起的水锤与随后的压力振荡(由桥塞的安装和穿孔枪的致动引起)。倒谱图包含上部中的净正峰值以及下部中的负峰值。手动测量的相同正负号(用黑圈指示)的反射的振荡周期与正峰值一致，并且手动测量的相反正负号(亮标志)的反射的振荡周期与倒谱图上的负峰值一致。将正峰值的深度与井中内管直径改变的位置的深度进行比较使得可确定前置液中的管波的传播速度c＝1461.5m/s。负峰值允许跟踪在地层间隔被穿孔时穿孔枪从底部到顶部的移动力矩。
示例4
记录实际工作和信号处理的另一示例说明了使用倒谱分析来确认井中的分流器的致动以用于重复的水力压裂，其中再次刺激先前刺激的操作井以提高生产率。将呈烧结颗粒悬浮液形式的分流器注入到井中以隔离所选择的流体泄漏区。
对于重复水力压裂的两个连续阶段执行的在井口处记录的压力的示例性倒谱分析在图5a(对于第一阶段)和图5b(对于第二阶段)中示出。白色横线示出了水力压裂口的位置深度。时间倒谱图的倒幅的负值对应于支撑剂注入和泵停止后的水锤引起的压力振荡。两个倒谱图的比较确认了分流器的致动(井筒完井中的一个口被隔离)。
通过校准确定的前置液中的管波速度为c＝1554.5m/s。通过测量在“安静”(无噪声)井中激励并从井底反射的单脉冲的行进时间来执行校准。
对对应于(由于泵停止而引起的)水锤的倒谱图的倒幅的负值的比较确认了流体重定向和对新间隔的刺激：在第一阶段的注入之后，管波反射点位于水力压裂口#4处，而在第二阶段的注入之后，信号反射点向上移动到水力压裂口#5。另外，两个倒谱图示出了从在支撑剂注入期间由泵冲程振荡引起的裂缝的反射。在倒谱图上还可以看出，随着压裂液中支撑剂浓度的增加，来自对象的表观反射深度增加。压裂液中支撑剂浓度的增加与管波传播速度降低有关，管波传播速度特别地取决于井中流体(支撑剂悬浮液)的密度。
井中压力振荡分析的结果可用于水力压裂，既可以用于优化实时模式下的增产措施，又可以用于后期工作分析中评估增产措施效率：评估压裂液分流器的致动(用于隔离管道中的孔的分流塞)；评估裂缝几何形状；识别由于支撑剂在井筒中沉降(筛出)而导致的水力压裂的紧急停止；监测使用连续油管或测井仪器执行的操作；套管中的泄漏诊断；不希望的水力压裂诊断；以及确认井中由可降解材料制成的桥塞的劣化。
提供了一种用于基于在井口处记录的井压数据的倒谱分析既实时监测又在后期工作数据分析中监测井操作的低成本的方法。所要求保护的方法是基于压力信号的倒谱图的构建，所述压力信号的倒谱图是随时间变化的倒谱的视觉表示。
在倒谱分析的框架内，井中的压力振荡是可易于在倒谱图上区分和追踪的，随后可确定其周期和极性。这些参数用于检测井下反射器(对象)，以使用倒谱图上的强信号的正负号在井操作期间确定井下反射器的深度及其特征。
各种装置和工艺可为从完井部件反射的液压信号的源：由于泵停止而产生的水锤、操作泵的噪声(由泵活塞移动引起的周期性压力振荡)、来自井下脉冲产生器的压力脉冲。
这使得能够在没有附加设备的情况下进行信号记录和处理，并且允许使用先前未使用的信号源来确定液压信号反射对象的位置；例如，可以使用由脉冲源(水锤)产生的信号，而且本公开还使得能够处理由周期性源(泵噪声)产生的不能手动处理的信号。另外，使用泵(地面和地下两者)的噪声作为信号将允许连续监测井，这不能使用脉冲信号源来实现。
本公开使得能够检测和处理压力振荡事件，与手动处理事件相比，这减少了处理时间并提高了准确度。
本公开可以使用放置在井口处的标准压力传感器、数据收集装置和基于计算机的系统来实现，所述基于计算机的系统用于数据处理和可视化，其中通过倒谱算法进行数据处理。
本领域技术人员将认识到，本公开可以在各种配置的计算机系统中实现，包括便携式装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费型电子设备、小型计算机、大型机等。任何数量的计算机系统和计算机的网络都可以接受以用于与本公开一起使用。本公开可以在分布式计算环境中实现，其中通过经由通信网络互连的远程处理设施执行任务。在分布式计算环境中，软件模块可以位于本地和远程存储介质两者中。因此，本公开可与在计算机系统或另一处理系统中的各种硬件、软件工具或其组合结合地实现。
本公开的实现系统可以在计算机上实现。该系统包括计算单元，有时称为计算系统，其包括存储器装置、应用程序软件、客户端接口、视频接口以及处理单元。计算单元被提到作为合适的计算环境的示例，并且不限制本公开的应用或功能范围。
所述存储器装置存储应用程序，所述应用程序还可以被描述为包含计算机可执行指令的软件模块，所述计算机可执行指令由计算单元执行以实现本文描述的本公开。
本公开可以计算机可执行指令程序来实现，诸如软件模块，称为由计算机执行的软件应用或应用程序。软件可包括例如执行特定任务或实现特定抽象数据类型的标准函数、程序、对象、数据成分和数据结构。所述软件形成接口，其允许计算机根据输入源进行响应。所述软件还可与其他代码段协作，以响应于所接收到的数据连同所接收到的数据的源而发起多种任务。所述软件可在诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)的任何存储器装置上存储和/或传送。此外，所述软件及其结果可由多种介质(诸如光纤、金属线)和/或由多种网络中的任一者(诸如互联网)来传输。
计算单元具有通用存储器装置，并且通常包括各种计算机可读介质。作为非限制性示例，机器可读介质可以包含存储介质。计算系统存储器装置可以包括易失性和/或非易失性存储装置形式的存储介质，诸如只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)。包含标准例程的基本输入/输出系统(BIOS)通常存储在ROM中，所述标准例程有助于诸如在启动期间在计算单元内的元件之间传送信息。RAM通常包含在线可用和/或当前在处理单元上执行的数据和/或软件模块。作为非限制性示例，计算单元包括操作系统、应用程序、其他软件模块和软件数据。
在存储器装置中所示的部件也可以包括在其他可移除/不可移除、易失性/非易失性存储介质中，或者它们可以通过应用编程接口(“API”)在计算单元中实现，所述API可以位于经由计算机系统或网络连接的单独的计算单元中。例如，硬盘驱动器可从不可移除的非易失性磁介质读取或写入到不可移除的非易失性磁介质；磁盘驱动器可从可移除的非易失性磁盘读取或写入到可移除的非易失性磁盘；以及光盘驱动器可从可移除的非易失性光盘(例如，CD ROM或其它光学介质)读取或写入到可移除的非易失性光盘。可以在典型的操作环境中使用的其他可移除/不可移除的易失性/非易失性存储介质可以包括但不限于盒式磁带、闪存卡、数字多功能光盘(DVD)、数字磁带、半导体RAM、半导体ROM等。上述驱动器及其相关联的存储介质确保为计算单元存储计算机可执行指令、数据结构、软件模块和其他数据。
客户端可以经由客户端接口将命令和信息输入到计算单元中，所述客户端接口可以是输入装置，诸如键盘和通常被称为鼠标、轨迹球或触摸板的指向装置。输入装置可包括麦克风、操纵杆、碟形卫星天线、扫描仪等。这些和其他输入装置经常通过系统总线连接到处理单元，但是也可以通过其他接口和总线结构(诸如并行端口或通用串行总线(USB))来连接。
监视器或其他类型的显示装置可以经由接口(诸如视频接口)连接到系统总线。图形用户界面(GUI)也可以与视频接口一起用来从客户端接口接收指令并将指令传送到处理单元。除了监视器之外，计算机还可以包括可通过输出外围接口连接的其他外围输出装置，诸如扬声器和打印机。
尽管计算单元的许多其他部件未被示出，但本领域技术人员应了解，此类部件及其互连是众所周知的。
很显然，上述实施方案不应视为对专利权利要求范围的限制。对于本领域技术人员来说明显是，可以在不脱离要求保护的公开内容的原理的情况下对上述技术引入许多改变。

Claims (32)

1.一种用于检测井中液压信号反射对象的方法，其包括：
(a)提供填充有能够传播液压信号的流体的井；
(b)提供至少一个液压信号源，所述至少一个液压信号源与所述井中的所述流体连通并且设计成产生液压信号；
(c)提供至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器用于记下液压信号并且与所述井和至少一个液压信号源流体连通；
(d)在井操作期间利用至少一个压力传感器记录所述液压信号；
(e)获得压力倒谱图，其中在所述压力倒谱图上识别出强信号；以及
(f)基于在所述压力倒谱图上找到的强信号的峰值，检测反射所述液压信号的在所述井中的至少一个对象。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述液压信号源是选自包括以下各项的组中的至少一个事件：由于地面泵的停止或启动引起的水锤、来自地下泵的噪声、来自操作地面泵的噪声、在套管井中的穿孔事件、使用脉冲源产生的压力脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用位于井口处或井筒中的至少一个压力传感器记录所述液压信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过在倒频对时间坐标中处理所述记下的液压信号来获得压力倒谱图。
5.根据权利要求2所述的方法，其中通过将所述记录的液压信号分成时间间隔来处理所述液压信号，对于每个时间间隔计算信号倒谱，并且将所述时间间隔显示为所述压力倒谱图上的竖直线。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使用超过指定阈值的所述液压信号的绝对值，在所述压力倒谱图上找到强信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过测量从位于已知深度的至少一个指定对象反射的信号的行进时间，或者依据流体性质以及井性质以及围岩性质，另外确定井筒中的所述流体中的液压信号传播速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述井筒中的所述流体中的所述液压信号传播速度用于基于所述压力倒谱图上的强信号值的峰值来确定所述井中的至少一个液压信号反射对象的深度，所述峰值指定所述反射的液压信号的所述行进时间的轮廓。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力倒谱图上的所述强信号的正号对应于具有比井筒的液压阻抗更高的液压阻抗的所述液压信号反射对象，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：所述井的底部、套管井的隔离装置、套管直径减小的位置以及在井筒中的支撑剂积聚。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力倒谱图上的所述强信号的负号对应于具有比井筒的液压阻抗更低的液压阻抗的所述液压信号反射对象，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：套管井中的水力压裂缝、无套管井中的水力压裂缝、套管直径增加的位置以及套管缺陷。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中在所述记下的液压信号具有趋势成分和/或高频噪声的情况下，通过去除所述趋势成分和/或高频噪声来另外预处理所述液压信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过计算由所述压力传感器记下的所述液压信号随时间的导数来去除所述趋势成分。
13.根据权利要求11所述的方法，其中通过从由所述压力传感器记下的所述液压信号的值中减去所述趋势成分来去除所述趋势成分。
14.根据权利要求11所述的方法，其中通过对由所述压力传感器记下的所述液压信号的值应用低通滤波器来确定所述趋势成分的存在。
15.根据权利要求11所述的方法，其中通过对由所述压力传感器记下的所述液压信号的值应用低通滤波器来去除所述高频噪声。
16.一种用于检测井中液压信号反射对象的系统，其包括：
(a)填充有能够传播液压信号的流体的井；
(b)至少一个液压信号源，所述至少一个液压信号源与所述井流体连通并且设计成产生液压信号；
(c)至少一个压力传感器，所述至少一个压力传感器被设计成记录液压信号并且与所述井和至少一个液压信号源流体连通；
(d)处理系统，所述处理系统被配置为：
在井操作期间接收并处理由至少一个压力传感器获得的数据以记下所述液压信号；
形成压力倒谱图并检测所述压力倒谱图上的强信号；
基于在所述压力倒谱图上找到的所述强信号的峰值，检测所述井中的至少一个液压信号反射对象。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述液压信号源是选自包括以下各项的组中的至少一个事件：由于地面泵的停止或启动引起的水锤、来自地下泵的噪声、来自操作地面泵的噪声、在套管井中的穿孔事件、使用脉冲源产生的压力脉冲。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述压力传感器位于井口处或井筒中。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理系统被配置为通过在倒频对时间坐标中处理所述记下的液压信号来形成压力倒谱图。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述处理系统被配置为通过将所述记下的液压信号分成时间间隔来处理所述液压信号，对于每个时间间隔计算信号倒谱，并且将所述时间间隔显示为所述压力倒谱图上的竖直线。
21.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理系统被配置为使用超过指定阈值的所述液压信号的绝对值，在所述压力倒谱图上找到强信号。
22.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理系统还被配置为通过处理来自位于已知深度处的至少一个指定对象的反射信号的所测量行进时间，或者依据流体性质以及井性质以及围岩性质，临时确定井筒中的所述流体中的所述液压信号传播速度。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为当在倒频对时间坐标中形成压力倒谱图时，使用所述井筒中的所述流体中的所述液压信号传播速度。
24.根据权利要求22所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为使用所述井筒中的所述流体中的所述液压信号传播速度以基于所述压力倒谱图上的所述强信号的所述峰值来确定所述井中的至少一个液压信号反射对象的深度，所述峰值指定所述反射的液压信号的行进时间的轮廓。
25.根据权利要求22所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为识别反射所述液压信号并通过所述强信号的正负号进行区分的至少一个对象。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述强信号的正号对应于具有比所述井筒的液压阻抗更高的液压阻抗的所述液压信号反射对象，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：所述井的底部、用于套管井的隔离装置、套管直径减小的位置以及在所述井筒中的支撑剂积聚。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述强信号的负号对应于具有比所述井筒的液压阻抗更低的液压阻抗的所述液压信号反射对象，所述对象是选自包括以下各项的组中的至少一个对象：套管井中的水力压裂缝、无套管井中的水力压裂缝、套管直径增加的位置以及套管缺陷。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为在所述记录的液压信号具有趋势成分和/或高频噪声的情况下，通过去除所述趋势成分和/或高频噪声来预处理所述液压信号。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为通过计算由所述压力传感器记下的所述液压信号随时间的导数来去除所述趋势成分。
30.根据权利要求28所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为通过从由所述压力传感器记录的所述液压信号的值中减去所述趋势成分来去除所述趋势成分。
31.根据权利要求28所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为通过对由所述压力传感器记下的所述液压信号的值应用低通滤波器来确定所述趋势成分的存在。
32.根据权利要求28所述的系统，其中所述处理系统另外被配置为通过对由所述压力传感器记下的所述液压信号的值应用低通滤波器来去除高频噪声。
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