CN111350496A - 一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统及方法；包括：在孔洞路径上安装光纤，以提供分布式声学传感器；监测压裂流入井筒的流动特性及处理来自分布式声学传感器的声学数据和流动数据，提供至少一个裂缝特征的指示；提供至少一种裂缝特征的指示，包括确定向每个裂缝部位供应的压裂液或支撑剂的量；所述压裂是供应到每个裂缝现场的确定数量的压裂液或支撑剂；通过多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂相对于单个裂缝位置的相对流速。本发明的方法使用光纤分布式声学传感来提供与压裂过程相关的声学数据，并将这些声学数据与压裂液流动特性相关的数据一起处理，以提供裂缝特征。

Description

一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统及方法

技术领域

本发明涉生产井压裂监测领域；尤其涉及一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统及方法。

背景技术

压裂是一些油气井(简称非常规井)形成过程中的一个重要过程，是激发岩层中油气流动的重要手段。典型的钻孔方式是在岩层上钻孔并内衬套管。套管外可注水泥，防止在水流开始时含水层等受到污染。在非常规井中，为了刺激流动，岩层可能需要压裂。通常这是通过两个阶段的射孔过程和水力压裂来实现的。射孔涉及从套管内发射一系列射孔摩擦，即成型炸药，通过套管和水泥在岩层中形成射孔。一旦射孔完成，岩石在高压下通过泵送流体 (如水)下井而破裂。因此，这种流体被迫进入射孔，当达到足够的压力时，会导致岩石破裂。比如，一种固体颗粒--沙子，通常会被加入到液体中，滞留在形成的裂缝中，并使裂缝保持张开状态。这种固体微粒被称为支撑剂。从距离井口最远的井段开始，可将油井分成一系列段进行射孔。因此，当一段井已穿孔时，它可能被堵塞器堵塞，而下一段井已穿孔并破裂。

压裂过程是非常规井形成的关键步骤，决定了该井的效率。然而，压裂过程的控制和监测是非常困难的。通常需要测量支撑剂和支撑剂的用量和流量，以确定压裂作业是否足够充分，并确定压裂过程中可能存在的问题。

其中，当包围套管的水泥失效并且流体仅流入空隙中时，就会发生一个可能存在的问题，即支撑剂冲洗。这浪费了支撑剂流体并阻止了有效的压裂。高流速或流速突然增加可能表示支撑剂被冲掉。

另外，其中大多数流体和支撑剂会通过一个或多个射孔流到岩层，从而阻止通过其他射孔点的有效压裂。通常对井段进行压裂处理，如上文所述，可沿该井段的长度进行多个射孔，以便随后的水力压裂处理在该井段的多个不同位置。然而，在水力压裂过程中，一个或多个射孔处的岩石可能比其他射孔处更容易破裂。在这种情况下，一个或多个发育中的裂缝可能会开始吸收大部分的液体和支撑剂，从而降低其他射孔部位的压力。这可以减少其他射孔点的压裂。增加流体和支撑剂的流量可能只会导致第一个过流点处的压裂增加，最终可能只会扩大裂缝，而不会对通过该裂缝接收的油气量产生重大影响。然而，在其他地点减少压裂可减少通过这些地点接收的油气数量，从而对整个油井的效率产生负面影响。例如，假设一段井在四个不同的位置射孔进行后续压裂。如果在压裂过程中，三个射孔部位相对容易破裂，那么更多的流体和支撑剂就会流向这些部位。这可能会阻止第四处裂缝发育，从而导致只有三条裂缝延伸到岩层中，为流动提供通道。因此，这部分油井的效率只有理想预期的75％。

如果存在这种情况，可以将更大的固体材料添加到流体中，通常是特定大小或尺寸范围的固体材料球。球的大小使得它们能够流入相对较大的裂缝中，在那里它们将被嵌入以造成阻塞，但是足够大而又不会影响到相对较小的裂缝。这样，可能在液压压裂过程中部分堵塞了消耗大部分压裂液的大裂缝，导致流向所有裂缝的流量均匀。

通常，监测压裂液的流动情况，以确定一个或多个裂缝位置是否占主导地位，从而防止在一个或多个其他裂缝位置发生有效压裂，但这很难做到，而且往往依赖于井工的经验。

除上述问题外，仅仅控制压裂过程以确保达到预期的压裂程度是困难的。此外，可能有多个油井用于从岩层中提取油气。当建造一口新井时，地层不应延伸到已提供现有井的岩石地层的区域，因为来自该区域的新井的任何流动都可以简单地减少现有井的流动。但是，确定裂缝的方向和范围是非常困难的。

除了监测流体流量外，在压裂过程中，还可以从位于单独观察井或地面的传感器获取传感器读数。这些传感器可能包括检波器或其他用于记录断裂过程中地震事件的地震传感器。这些传感器读数可以在压裂后进行分析，以确定压裂的大致位置和范围，但对实时控制压裂过程几乎没有用处。

发明内容

本发明的目的是提供了一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统及方法。

第一方面，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征方法，包括如下步骤：

步骤1，在孔洞路径上安装光纤，以提供分布式声学传感器；

步骤2，监测压裂流入井筒的流动特性及处理来自分布式声学传感器的声学数据和流动数据，提供至少一个裂缝特征的指示；

其中，提供至少一种裂缝特征的指示，包括确定向每个裂缝部位供应的压裂液或支撑剂的量；所述压裂是供应到每个裂缝现场的确定数量的压裂液或支撑剂；

其中，在压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为两个或多个谱带，并为每个谱带确定平均强度，并通过多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂相对于单个裂缝位置的相对流速。

优选地，所述光纤具体为：将一系列光脉冲发射到所述光纤中，并检测从所述光纤内部反向散射的辐射瑞利；处理检测到的瑞利背散射辐射，以提供光纤的多个离散的纵向感测部分。

优选地，所述声学数据中的声学干扰或声学信号的变化与流动数据中的流动特性的变化相关联。

优选地，还包括：在下井水力压裂过程之前，监测在井筒穿孔过程中产生的光纤中的声学干扰；以及确定光纤中与裂缝位置。

优选地，所述流动数据包括随时间变化的流量、流量压力、支撑剂浓度或支撑剂流量中的至少一个。

优选地，还包括监视输送到每个裂缝部位的支撑剂的累积量，并且一旦预定量的支撑剂已经输送到裂缝部位就停止水力压裂过程。

优选地，还包括将压裂特性与油井后续油气生产数据相关联的步骤。

优选地，所述光纤的每个相关传感部分中的声能的平均强度另外用于确定到每个断裂部位的相对流速。

第二方面，本发明还涉及前述的一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统，系统包括:

光纤询问器，用于在沿井筒路径布置的光纤上提供分布式声波传感；

采样器，被配置为对从所述询问器输出的多个通道进行采样，在多次中的每次提供来自所述光纤的多个部分的声学数据；

流量监测器，用于监测进入待压裂井眼的压裂液的流量特性，并提供流量数据；

数据分析仪，用于用所述流量数据处理所述取样声波数据，以确定至少一个压裂特性；

流量控制器，根据提供给每个裂缝现场的确定量的压裂液或支撑剂自动控制压裂液的流量或当供应至裂缝现场的压裂液或支撑剂的确定量达到预定量时自动停止压裂液的流动；

其中，处理具体为：确定供应至每个压裂现场的压裂液或支撑剂的量，压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为一个两个或多个谱带，并为每个所述谱带确定平均强度通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平，确定裂缝流体或支撑剂与各个裂缝位置的相对流速，对声波数据进行波段和分析。

第三方面，本发明还涉及前述的一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的分析方法，包括：

步骤一，在井下水力压裂过程中，通过询问沿井筒路径布置的光纤以提供分布式声传感器，获取与声学数据相对应的第一数据集；

步骤二，通过监测压裂液在井下水力压裂过程中流入井筒的流动特性，获取与流动数据相对应的第二数据集；

步骤三，处理声波数据和流量数据，通过将压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声波数据划分为两个或多个谱带，并确定每个谱带的平均强度，来确定向每个压裂现场供应的压裂液或支撑剂的量，并通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂到各个裂缝位置的相对流速。

本发明的方法使用光纤分布式声学传感来提供与压裂过程相关的声学数据，并将这些声学数据与压裂液流动特性相关的数据一起处理，以提供裂缝特征。本发明仲裁采用的是分布式声传感(DAS)，是一种已知的传感技术，在这种技术中，通常通过一个或多个输入脉冲对单个长度的纵向光纤进行光学检测，以提供沿其长度的振动活动的基本连续感测。本发明将光脉冲发射到光纤中，从光纤内部反向散射的辐射被检测和分析，通过分析光纤内反向散射的辐射，可以将光纤有效地划分为多个离散的感应部分，这些部分可以是连续的，也可以是不连续的。所检测的反向散射辐射可以是已经使用布里渊或拉曼散射经过DAS系统的瑞利散射的辐射，或者可以使用不同类型的散射的组合。在每一个分离的传感部分，光纤的机械振动，例如来自声源的振动，引起了从该部分反向散射的辐射特性的变化。这种变化可以被检测和分析，并用于测量该传感部分的光纤扰动强度。“分布式声传感器”将被理解为包含光纤的传感器，光纤通过光学方式提供沿光纤纵向分布的多个离散声传感部分，声学应被理解为任何类型的机械振动或压力波，包括地震波。因此，该方法可包括将一系列光脉冲发射到所述光纤中并检测所述光纤的辐射瑞利后向散射；以及处理检测到的瑞利后向散射辐射以提供光纤的多个离散纵向传感部分。本发明中，术语光学不限于可见光谱，光辐射包括红外辐射和紫外辐射。

光纤位于正在进行压裂的井眼内，即光纤所在的井眼是井眼本身。在一种布置中，光纤沿着井套管的外部敷设，尽管在一些实例中，光纤可以布置成在套管内敷设。当光纤被插入井筒时，光纤可以附着在井筒上，如果是在井筒的外部，则随后在被胶结的井段进行胶结。值得注意的是，深井井筒下的条件可能很恶劣，尤其是在水力压裂过程中。因此，迄今为止，在压裂过程中将特定的传感器沿井眼向下放置尚不可行。本发明的方法使用光纤，该光纤可以位于井套管的外部，以在被压裂的井孔中提供井下传感器。

因此，光纤沿着井眼的一般路线延伸，并至少延伸到井眼内发生压裂的区域。

当压裂井眼的任意一段时，光纤可以被布置，从而在压裂现场附近提供一个或多个声波传感部分，即压裂液沿着井眼流动的位置，或预期流动的位置，进入岩层引起压裂。预期的传感部分通常应根据沿光纤的长度以及井的长度来知道。然而，当进行穿孔时，该方法可包括监测穿孔步骤所产生的光纤中的声学干扰。穿孔过程中的声波干扰可用于确定与断裂部位相对应的光纤部分。例如，在穿孔过程中表现出最大声干扰强度的光纤部分通常与穿孔摩擦产生的位置相对应，从而与断裂部位相对应。

因此，来自DAS传感器的声学数据包括由位于下井压裂点附近的光纤的多个传感部分检测到的声学信号。这些声学数据表明了在井下不同位置实际发生的情况。在本发明的方法中，该声学数据与关于压裂液流动特性的数据一起处理以确定压裂特性。

流动数据可以与声学数据相关联。这种相关性可能包括任何声学干扰，或探测到的声学信号的变化与流动特性(如压裂液的流量或压力)的变化之间的相关性。例如，在压裂现场附近检测到明显的声干扰后，压裂液压力下降或流量增加，这可以被认为是压裂现场发生明显压裂的迹象。虽然声学数据本身可以反映压裂过程，但压裂过程可能会有很大的噪声，与流动数据相关可以提高对重大压裂事件的识别能力。

将流动数据和声学数据关联起来也有助于识别支撑剂的冲洗。如果在非压裂现场的井身部分检测到声波事件，并且压裂液流速突然增加或流体压力突然下降，这可能表明井套管或油井相关部分的水泥胶结失效，导致支撑剂冲洗。

在如GB2442745所述的DAS传感器中，每个单独的声学通道的处理可以实时进行。因此，声波事件与流动特性变化之间的关联也可以实时进行，该方法可以作为监控过程的一部分，用于控制水力压裂。

压裂特征是压裂液或支撑剂供应到单个裂缝部位的量，该方法包括确定供应到每个裂缝部位的压裂液或支撑剂的量。

一般来说，声波数据可以用来确定压裂液或支撑剂到各个压裂点的相对流量。

通过观察压裂液流入油井的速度，可以确定流入每个裂缝的流体量。还可以通过观察支撑剂的流速，例如通过流体流速和支撑剂的浓度，或在流体中加入支撑剂的速率来确定支撑剂的流量，从而确定支撑剂供应到每个裂缝部位的实际用量。

本发明能够确定每个压裂点所供应支撑剂的量，这是迄今为止所不可能实现的。

确定向每个裂缝现场供应的支撑剂数量可作为水力压裂过程控制的一部分。例如，向每个裂缝提供的支撑剂量可用于测量特定位置处的压裂程度。特别是，支撑剂的供应量可以用来指示压裂的延伸程度。如上所述，可能有不止一口井用于从岩石中提取石油或天然气。因此，人们希望控制每口井的压裂程度，使一口井的裂缝不会延伸到另一口井的储层。这样做只会减少另一口井的流量，从而降低整体效率。因此，需要控制压裂过程，例如在适当的位置停止压裂过程，使压裂从井眼延伸不超过一定的距离。然而，这在实践中很难监控。输送到每个裂缝的支撑剂数量可能与相关裂缝延伸的距离有关，因此通过监测输送到每个裂缝的支撑剂累积数量，可以估计该裂缝的范围。因此，一旦将一定量的支撑剂输送到裂缝位置，就可以停止压裂，或者，如果一个裂缝位置占主导地位，则可以向流量中添加诸如球之类的添加剂，以减少流向该裂缝位置的支撑剂的量。

另外，对于某一特定类型的岩石条件，也可以在每个裂缝部位预先加入一定量的支撑剂，在裂缝中注入一定量的支撑剂通常可以获得良好的生产性能，即在生产阶段有良好的油气流入速度。因此，需要确保一定量的支撑剂被输送到裂缝部位。

压裂过程中收集的数据可用于提供有用的实时反馈，但也可用于进一步分析。例如，声波数据可以在压裂过程中收集，然后与流量数据一起进行分析，以确定支撑剂的用量。收集到的数据也可能与后续生产相关，以便识别可能与良好生产相关的瞬态特征。

需要注意的是，在压裂后，井下使用的DAS传感器也可以作为井实际生产过程中的流量监测系统。通过这种方法，可以监测流入油井的油气流量，并对每个不同压裂点的相对流量进行评估。测量井顶的总流量可以反映出整口井的整体压裂过程。然而，使用DAS传感器可以评估每个压裂点或收集点的相对贡献。

因此，有可能将每个裂缝部位(特定类型的岩层)的支撑剂用量与后续生产能力联系起来。可以确定特定岩层支撑剂的优选用量，以及与压裂相关的特性。

这样，就有可能控制后续的压裂过程，将一定量的支撑剂输送到优选范围内的裂缝部位。

许多油气井位于偏远地区。运输压裂所需的支撑剂是一笔巨大的成本。如果支撑剂的用量可以显著减少，而生产井的产量不会受到影响，那么这将是一个巨大的节约。本发明的方法可以提供所需支撑剂最佳用量的指示，还可以允许操作人员确保向每个裂缝部位提供正确的支撑剂用量。

因此，该方法可以包括对声学数据进行分析，以确定压裂液或支撑剂相对于多个井下裂缝点的流量。声学数据的处理可包括对若干不同断裂点附近的声扰动强度级别的比较。光纤的每个相关传感部分中的平均强度或声能可用于指示一个断裂点与另一个断裂点的表现是否显著不同，例如，一个断裂点是否与另一个断裂点相比具有显著更低或更高的声能。这可以用来指示压裂液相对于压裂点的流动情况。

如果在一个裂缝附近光纤的声波通道比其他裂缝处的声波能量要高得多，这可能意味着此时有更大比例的支撑剂流体流入岩层。同样，如果一个裂缝处的声强相对较低，这可能意味着支撑剂没有大量的流体流入岩层。因此，相对声强可以用来指示一个或多个压裂点正在消耗更多的支撑剂流体或一个或多个压裂点相对不活跃。

该方法可能涉及将光纤纵向传感部分的数据分割成一个或多个光谱波段。换句话说，可以对数据进行过滤，使其只包含特定频谱范围内频率范围内的声波干扰。通过谱带分析数据，可以更清楚地反映裂缝处各通道间的声学差异。由于支撑剂流体流动是含颗粒流体的高压流动，它本身就是一个嘈杂的过程，在套管内的流动会产生各种各样的声学响应。流入射孔的流动可能与特定的频率特性有关，因此，在特定的光谱波段，流动之间的差异可能更容易识别。

如上所述，水力压裂过程本身就是一个非常嘈杂的过程。因此，在发生压裂的井筒内使用声传感器来提供有关压裂发生的有意义的信息是令人吃惊的。

在某些情况下，预期的光谱波段可能是预先知道的。然而，在其他情况下，井动态和压裂过程的动态都可能影响光谱响应。因此，在一些实施例中，该方法可以包括将来自光纤相关传感部分的声干扰划分为多个光谱波段。

谱带可以被处理以自动检测感兴趣谱带。例如，可以对每个谱带的数据进行处理，以检测平均能量的局部最大值的存在，这可以指示来自支撑剂和进入穿孔部位的流体的声学信号。处理过程可以根据与射孔位置相对应的声学通道的知识进行约束，例如根据光纤的知识进行预先确定，由操作员进行选择，或在射孔装药点火期间进行测量确定。换句话说，可以通过对光谱波段的分析来确定一个光谱波段，在这个波段中，与射孔点对应的通道的能量显著高于附近其他通道的能量。对谱带进行分析，还可以探测射孔点对应的一个或多个通道中感兴趣谱带的相对声波能量。换句话说，对光谱波段的分析可以用来确定流入不同裂缝部位的相对流量。

该方法还可包括监测与穿孔位置相对应的信道的相对声能随时间而变化，例如确定任何相关信道中的瞬时平均值是否显著变化或与穿孔位置相对应的信道中的相对能量是否变化。

可以分析来自位于穿孔位置的通道的频率或强度信号，以确定裂缝的特征。如上所述，由于压裂液通过射孔现场流入岩层而引起的声波通道所经历的机械干扰可能包括频率分量，其可能取决于射孔的相对尺寸和当前裂缝尺寸。因此，通过分析主要由于流体流入裂缝而产生的声波信号的频率，可以推断出流入裂缝的相对流量。

如前所述，虽然该方法可用于对压裂过程进行实时监测，但在某些情况下，数据可能在压裂过程中收集，但只有在后期才进行分析。因此，在本发明的另一方面中，断裂特征化方法包括：采集压裂过程中从井下光纤分布式声波传感器采集的声波数据，采集压裂过程中压裂液流动特性的数据，并用流动数据分析声波数据，以确定裂缝特征。断裂特征可以是所述支撑剂的量传递到多个断裂部位中的至少一个。

本发明还可延伸提供一种计算机程序和计算机程序产品，用于执行本文所述的任何方法和体现本文所述的任何设备特征，以及计算机可读介质，其上存储有用于执行本文描述的任何方法和用于体现本文描述的任何设备特征的程序。

本发明扩展到基本上如本文参考附图所描述的方法，设备或用途。

本发明一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。而且，方法方面可以应用于装置方面，反之亦然。

此外，在硬件中实现的功能通常可以在软件中实现，反之亦然。此处提及的任何软件和硬件特性都应据此进行解释。

在本发明的方法有以下优点：

(1)本发明的方法使用光纤分布式声学传感来提供与压裂过程相关的声学数据，并将这些声学数据与压裂液流动特性相关的数据一起处理，以提供裂缝特征。

(2)本发明的方法使用光纤，该光纤可以位于井套管的外部，以在被压裂的井孔中提供井下传感器。

(3)本发明能够确定每个压裂点所供应支撑剂的量，这是迄今为止所不可能实现的

(4)本发明可以通过分析来自位于穿孔位置的通道的频率或强度信号，以确定裂缝的特征。

附图说明

图1为水力压裂过程中井筒顶部的示意图；

图2为多个压裂点示意图；

图3为压裂点流向不均匀示意图；

图4为射孔点附近通道声数据的声能量声学响应示意图；

图5为射孔点附近通道声数据的声能量声学响应示意图；

图6为压裂液流量随不同因素变化示意图；其中a为压裂液流量随时间的变化，b为不同声道声能的变化，c为不同裂缝位置的相对流量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

实施例1

本实施例

第一方面，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征方法，包括如下步骤：

步骤1，在孔洞路径上安装光纤，以提供分布式声学传感器；

步骤2，监测压裂流入井筒的流动特性及处理来自分布式声学传感器的声学数据和流动数据，提供至少一个裂缝特征的指示；

其中，提供至少一种裂缝特征的指示，包括确定向每个裂缝部位供应的压裂液或支撑剂的量；所述压裂是供应到每个裂缝现场的确定数量的压裂液或支撑剂；

其中，在压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为两个或多个谱带，并为每个谱带确定平均强度，并通过多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂相对于单个裂缝位置的相对流速。

优选地，所述光纤具体为：将一系列光脉冲发射到所述光纤中，并检测从所述光纤内部反向散射的辐射瑞利；处理检测到的瑞利背散射辐射，以提供光纤的多个离散的纵向感测部分。

优选地，所述声学数据中的声学干扰或声学信号的变化与流动数据中的流动特性的变化相关联。

优选地，还包括：在下井水力压裂过程之前，监测在井筒穿孔过程中产生的光纤中的声学干扰；以及确定光纤中与裂缝位置。

优选地，所述流动数据包括随时间变化的流量、流量压力、支撑剂浓度或支撑剂流量中的至少一个。

优选地，还包括监视输送到每个裂缝部位的支撑剂的累积量，并且一旦预定量的支撑剂已经输送到裂缝部位就停止水力压裂过程。

优选地，还包括将压裂特性与油井后续油气生产数据相关联的步骤。

优选地，所述光纤的每个相关传感部分中的声能的平均强度另外用于确定到每个断裂部位的相对流速。

第二方面，本发明还涉及前述的一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统，系统包括:

光纤询问器，用于在沿井筒路径布置的光纤上提供分布式声波传感；

采样器，被配置为对从所述询问器输出的多个通道进行采样，在多次中的每次提供来自所述光纤的多个部分的声学数据；

流量监测器，用于监测进入待压裂井眼的压裂液的流量特性，并提供流量数据；

数据分析仪，用于用所述流量数据处理所述取样声波数据，以确定至少一个压裂特性；

流量控制器，根据提供给每个裂缝现场的确定量的压裂液或支撑剂自动控制压裂液的流量或当供应至裂缝现场的压裂液或支撑剂的确定量达到预定量时自动停止压裂液的流动；

其中，处理具体为：确定供应至每个压裂现场的压裂液或支撑剂的量，压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为一个两个或多个谱带，并为每个所述谱带确定平均强度通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平，确定裂缝流体或支撑剂与各个裂缝位置的相对流速，对声波数据进行波段和分析。

第三方面，本发明还涉及前述的一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的分析方法，包括：

步骤一，在井下水力压裂过程中，通过询问沿井筒路径布置的光纤以提供分布式声传感器，获取与声学数据相对应的第一数据集；

步骤二，通过监测压裂液在井下水力压裂过程中流入井筒的流动特性，获取与流动数据相对应的第二数据集；

步骤三，处理声波数据和流量数据，通过将压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声波数据划分为两个或多个谱带，并确定每个谱带的平均强度，来确定向每个压裂现场供应的压裂液或支撑剂的量，并通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂到各个裂缝位置的相对流速。

本发明的方法使用光纤分布式声学传感来提供与压裂过程相关的声学数据，并将这些声学数据与压裂液流动特性相关的数据一起处理，以提供裂缝特征。本发明仲裁采用的是分布式声传感(DAS)，是一种已知的传感技术，在这种技术中，通常通过一个或多个输入脉冲对单个长度的纵向光纤进行光学检测，以提供沿其长度的振动活动的基本连续感测。本发明将光脉冲发射到光纤中，从光纤内部反向散射的辐射被检测和分析，通过分析光纤内反向散射的辐射，可以将光纤有效地划分为多个离散的感应部分，这些部分可以是连续的，也可以是不连续的。所检测的反向散射辐射可以是已经使用布里渊或拉曼散射经过DAS系统的瑞利散射的辐射，或者可以使用不同类型的散射的组合。在每一个分离的传感部分，光纤的机械振动，例如来自声源的振动，引起了从该部分反向散射的辐射特性的变化。这种变化可以被检测和分析，并用于测量该传感部分的光纤扰动强度。“分布式声传感器”将被理解为包含光纤的传感器，光纤通过光学方式提供沿光纤纵向分布的多个离散声传感部分，声学应被理解为任何类型的机械振动或压力波，包括地震波。因此，该方法可包括将一系列光脉冲发射到所述光纤中并检测所述光纤的辐射瑞利后向散射；以及处理检测到的瑞利后向散射辐射以提供光纤的多个离散纵向传感部分。本发明中，术语光学不限于可见光谱，光辐射包括红外辐射和紫外辐射。

光纤位于正在进行压裂的井眼内，即光纤所在的井眼是井眼本身。在一种布置中，光纤沿着井套管的外部敷设，尽管在一些实例中，光纤可以布置成在套管内敷设。当光纤被插入井筒时，光纤可以附着在井筒上，如果是在井筒的外部，则随后在被胶结的井段进行胶结。值得注意的是，深井井筒下的条件可能很恶劣，尤其是在水力压裂过程中。因此，迄今为止，在压裂过程中将特定的传感器沿井眼向下放置尚不可行。本发明的方法使用光纤，该光纤可以位于井套管的外部，以在被压裂的井孔中提供井下传感器。

在许多油气井的典型地层中，先钻一个井眼，然后将金属套管压入井眼，套管的各部分相互连接。套管就位后，至少在一定井深的范围内，在套管外侧注满水泥，将套管与围岩密封，保证套管是唯一的流道。一旦水泥固化，可以通过将一个或多个聚能装药的“射孔器”下放到所需要的井眼深度进行射孔。射孔器可以是定向的，例如使用磁异常探测器将射孔器相对于套管上的某一特征进行定位，并引爆聚能药对套管、水泥基材和岩层进行射孔。

射孔后，取下射孔管柱，将水等流体和砂等固体支撑剂的混合物高压下井，使岩石沿弱应力线破裂，为气体或其他流体进入井内创造并扩大渗透通道。在一个层面上创建一组裂缝后，也可以在另一个层面上创建另一组裂缝。因此，在井内插入一个堵塞器，堵塞刚刚穿孔的井段。然后在不同的水平层面重复射孔和压裂过程。

重复这个过程，直到所有必要的裂缝都完成。

水力压裂是此类井生产中的关键步骤，因为压裂决定了产品最终从岩层进入井内的流量。因此，压裂过程的顺利进行是非常重要的。

图1是水力压裂过程中井筒顶部的示意图。金属生产套管104显示在钻孔106中，套管外壁和孔之间的空间被水泥108回填。套管104的顶部被盖 110覆盖，压裂流体和支撑剂可通过该盖110流动。可以通过泵114将流体压入壳体104的中间，泵114从储液器118抽出流体。流量监测器116监测流体流的各种特性，例如流速，流体压力和支撑剂浓度。

在常规地层中，压裂作业人员唯一能获得的数据是压裂过程的流动数据和“感觉”。因此，作业人员没有可靠的方法来确定井下的情况。图1展示了一个实例，其中使用分布式声波传感器(DAS)提供关于压裂过程中井下实际发生情况的信息。在DAS传感器的井眼路径上包括一根光纤电缆102。在图1所示的例子中，光纤穿过水泥充填体，实际上被夹在金属套管的外部。人们发现，受约束的光纤，例如在通过水泥回填的情况下，对不受约束的光纤表现出不同的声学响应。受约束的光纤可能比不受约束的光纤具有更好的响应，因此有利于确保光纤受水泥约束。约束光纤和非约束光纤之间的响应差异也可以用作对水泥破坏的指标，这一点在后面将进行描述。

光纤从井口伸出，连接到询问器或处理器单元112。操作询问器112将询问电磁辐射发射到感测光纤中，例如所述询问电磁辐射可以包括具有选定频率模式的一系列光脉冲。光脉冲可以具有GB专利出版物GB2,442,745中所述的频率模式，其内容在此参照纳入。如GB2,442,745所述，瑞利后向散射现象导致部分进入光纤的光被反射回询问器，在那里它被检测到提供一个输出信号，这是在光纤附近的声干扰的代表。因此，询问器包括至少一个激光器和至少一个光学调制器，用于产生由已知光学频率差分离的多个光脉冲。询问器还包括至少一个光电探测器，其被布置成检测从光纤102内的本征散射点反向散射的辐射。

来自光电探测器的信号由信号处理器处理，该信号处理器可以构成也可以不构成询问器112的一部分。信号处理器根据GB2442,745所述的光脉冲之间的频率差对返回的信号进行解调。信号处理器还可以应用GB2,442,745 中所述的相位展开算法。

光输入的形式和检测方法允许单个连续光纤在空间上分解成离散的纵向传感部分。也就是说，在一个感测部分被测得的声信号可以与在相邻部分被测得的声信号被单独提供。

传感光纤102的长度可达数公里，通常在井眼的整个深度应用光纤。所述传感光纤可以是标准的、未经修改的单模光纤，例如用于电信应用的常规光纤，可能具有合适的保护罩。

因此，可以由询问器112询问光纤102，以提供光纤的多个离散感测部分。在本发明的方法中，可以对水力压裂现场附近的传感部分进行监测和处理，并结合流量监测仪116的流量数据来确定压裂特性。

图2及图3显示了一个较低的井筒部份，有三个射孔点，201、202及 203，以及一个将先前破裂的较深井段分隔开来的204堵塞器。如图2及图3 所示显示了井同一侧的所有射孔位置，尽管在实践中，在井的特定深度处可能存在多个方向的射孔。此外，尽管图2示出了井的垂直部分，但是本发明同样适用于水平部分。

当然，在对射孔弹进行定向时，应注意不要在光纤102上发射射孔弹。这可以通过确保在光纤或光纤封装附近的套管提供相对较强的磁信号，并在射孔装药管柱上使用磁异常探测器来确定和避免将装药对准上述信号的相对位置来实现。

射孔完成后，流体和支撑剂流入油井，导致206压裂，如图图3所示。对穿孔附近光纤声通道的声学响应进行了监测。含有固体颗粒的高压流体流过套管104时，会产生大量的声波干扰，与发生流动的井眼截面相对应的所有光纤通道都会显示出声波响应。然而，研究发现，射孔区附近的声波通道表现出一种声学响应，这种响应与压裂液进入射孔区和发生压裂有关。研究还发现，通过观察声学扰动的离散频带，可以最明显地看到这种响应。

图4示出了在水力压裂过程中，在图2所示的穿孔位置附近的光纤的多个声通道可以检测到的声强度。箭头201、202和203表示穿孔位置。虚线曲线300表示由光纤检测到的所有声学干扰的归一化平均强度。从图中可以看出，尽管204阻塞器下方井筒截面的通道的强度有所下降，但光纤的声学截面在图中仍存在普遍水平的扰动。在射孔点201、202和203附近，声强略有增加。然而，实线301示出了针对频谱带内的干扰，即具有特定范围内的频率的干扰的归一化声强。可以看出，射孔点附近的信号强度差异要明显得多。准确的频率范围可能因井眼、套管、围岩和压裂液流动参数(压力、流量、支撑剂类型和比例等)的不同而不同。因此，可以在多个不同的频带中处理信号，并同时(例如，在不同的图形或不同颜色的重叠曲线中)或按顺序或按用户的选择向操作者显示。数据也可以被处理以自动检测光谱带，该光谱带提供了射孔点附近通道和井的其他部分通道之间最大的强度差。

曲线301示出了在每个穿孔部位处的声学响应近似相同。这可以表明，压裂液被均匀地压入所有穿孔部位，并且它们都具有相似的特征。因此，压裂流体和支撑剂到各个压裂部位201、202、203的相对流速通常是相等的。

然而，在某些情况下，某些裂缝部位可能比其他部位更活跃，因为某些裂缝部位可能比其他部位消耗更多的支撑剂。图3表示可能出现的情况，其中射孔点201和202已被强行注入压裂液而扩大，而岩层在206号裂缝处破裂。然而，203号射孔点没有发生明显的压裂。这可能是多种原因造成的，但一旦出现这种情况，大多数压裂液可能流入射孔点201和202，从而导致点203仍然处于休眠状态。如果这种情况最终继续下去，当压裂过程完成时，只有射孔点201和202将为油气流入井筒提供重要通道，因此这段井的效率将低于预期的效果。

图5给出了图3所示情况可能产生的声学响应。虚线曲线303给出了在所有频率上的每个通道的总强度，即声能。该曲线的确显示了总体趋势，但是从实线304也可以更清楚地看到，实线304也显示了来自狭窄频谱范围的声学响应。从曲线30可以看出，由于压裂液流入射孔区并引起压裂，在201 和202两个射孔区存在较大的信号强度，但在203射孔区附近却没有这种信号。这表明，通过射孔点203进行压裂的程度受到了明显的限制。

因此，声学数据可以给出井下实际发生的情况的一般指示，但是在本发明的方法中，该数据可以与由流量监视器116获取的流量数据相关，以确定裂缝特征。

在一种布置中，声学数据和流量数据的比较可能有助于确定井内实际发生的情况。图6给出了指示压裂液流速的流速数据，也给出了支撑剂的(对于流体中的支撑剂恒定浓度，如果流体中的支撑剂浓度随时间变化，则可单独监测记录)。从图6中可以看出，流入井内的流体流量在短时间内突然增加至t1之前是相当稳定的。同样的，t2的时候，流速会有一个突然的跳跃。

这可能表明，压裂发生在时间tl和t2附近，从而在短时间内为流体开辟了新的流动路径。就其本身而言，这些数据可能表明正在发生压裂，但并不包含有关裂缝位置是否平等发育的信息。

图6示出了对应于穿孔位置201、202和203(短时间平均)的DAS传感器的声强在同一时间段内的演化。可以看出，在t1之前的某一时刻，来自射孔部位201对应通道的声信号403强度突然增大。由于这与流量的突然增加有关，可以看出数据表明在201号井场t1时压裂效果显著。类似地，在与202对应的地震道数据中，时间t2处的声强上升表明此时出现了明显的破裂。

为了便于解释，图6中的数据已经简化，但可以清楚地看到，通过将声学事件与流动条件的变化相关联，可以确定压裂的位置和程度。

这些数据也可以用来确定故障情况，比如支撑剂的冲洗。当一段套管和水泥环失效时，就会发生这种情况，如图3中205所示，支撑剂中的液体有另一条流径。

在这种情况下，支撑剂的流速409可能会增加。然而，由于冲洗可能发生在井眼的不同部位，穿孔部位的声波信号可能没有显著差异。如图5所示，冲洗可能会在井眼的不同部分处引起新的声波信号305。

在压裂过程中，也可以确定支撑剂的用量。显然，对于流体中恒定浓度的支撑剂，图4所示的流体流量也说明了支撑剂的流量。

从图4和图5可以看出，每个断裂点的相对流量比例是可以确定的。图 6可以看作是在感兴趣谱带中随时间变化的相对声能。通过分析感兴趣的声波通道的相对强度和流体的流速(以及支撑剂浓度的任何变化)，可以确定支撑剂随时间的相对流量，如图6所示。根据曲线积分，可以确定向裂缝部位输送的支撑剂的总比例。了解支撑剂的输送总量，就有可能确定每个裂缝部位输送了多少支撑剂。

确定支撑剂的绝对用量可以作为控制过程的一部分，例如在达到一定限度时停止。对支撑剂绝对用量的测量也可以作为后续地层分析的一部分，以提高对压裂过程的认识。很明显，光纤在部署后，将在作业期间留在井内。 DAS传感还可提供与油井后续作业相关的有用传感能力。例如，可以对从邻近岩层流入井内的油气等流体进行监测。通过分析2D“瀑布”能量图，可以检测并量化井内的流入面积。因此，可以将不同射孔点的相对注入量与压裂数据进行比较，从而确定特定岩层所需支撑剂的最佳用量。

需要注意的是，通道的配置也可以进行调整，不同的通道设置可以用于不同的监控操作。通道设置也可以根据监测数据进行自适应控制，例如，如果在某一深度发生重大断裂，在恢复到原来的通道配置之前，可能需要在一段时间内以更高的分辨率监测该特定深度。

可以理解，本发明纯粹是通过示例在上面描述的，并且可以在本发明的范围内对细节进行修改。

说明书中公开的每一特征，以及(在适当的情况下)权利要求和附图可以单独地或以任何适当的组合提供。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在孔洞路径上安装光纤，以提供分布式声学传感器；

步骤2，监测压裂流入井筒的流动特性及处理来自分布式声学传感器的声学数据和流动数据，提供至少一个裂缝特征的指示；

其中，提供至少一种裂缝特征的指示，包括确定向每个裂缝部位供应的压裂液或支撑剂的量；所述压裂是供应到每个裂缝现场的确定数量的压裂液或支撑剂；

其中，在压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为两个或多个谱带，并为每个谱带确定平均强度，并通过多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂相对于单个裂缝位置的相对流速。

2.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，所述光纤具体为：将一系列光脉冲发射到所述光纤中，并检测从所述光纤内部反向散射的辐射瑞利；处理检测到的瑞利背散射辐射，以提供光纤的多个离散的纵向感测部分。

3.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，所述声学数据中的声学干扰或声学信号的变化与流动数据中的流动特性的变化相关联。

4.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，还包括：在下井水力压裂过程之前，监测在井筒穿孔过程中产生的光纤中的声学干扰；以及确定光纤中与裂缝位置。

5.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，所述流动数据包括随时间变化的流量、流量压力、支撑剂浓度或支撑剂流量中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，还包括监视输送到每个裂缝部位的支撑剂的累积量，并且一旦预定量的支撑剂已经输送到裂缝部位就停止水力压裂过程。

7.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，还包括将压裂特性与油井后续油气生产数据相关联的步骤。

8.根据权利要求1所述的井下水力压裂过程的裂缝表征方法，其特征在于，所述光纤的每个相关传感部分中的声能的平均强度另外用于确定到每个断裂部位的相对流速。

9.一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的系统，其特征在于，系统包括:

光纤询问器，用于在沿井筒路径布置的光纤上提供分布式声波传感；

采样器，被配置为对从所述询问器输出的多个通道进行采样，在多次中的每次提供来自所述光纤的多个部分的声学数据；

流量监测器，用于监测进入待压裂井眼的压裂液的流量特性，并提供流量数据；

数据分析仪，用于用所述流量数据处理所述取样声波数据，以确定至少一个压裂特性；

流量控制器，根据提供给每个裂缝现场的确定量的压裂液或支撑剂自动控制压裂液的流量或当供应至裂缝现场的压裂液或支撑剂的确定量达到预定量时自动停止压裂液的流动；

其中，处理具体为：确定供应至每个压裂现场的压裂液或支撑剂的量，压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声学数据被划分为一个两个或多个谱带，并为每个所述谱带确定平均强度通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平，确定裂缝流体或支撑剂与各个裂缝位置的相对流速，对声波数据进行波段和分析。

10.一种用于井下水力压裂过程的裂缝表征的分析方法，包括：

步骤一，在井下水力压裂过程中，通过询问沿井筒路径布置的光纤以提供分布式声传感器，获取与声学数据相对应的第一数据集；

步骤二，通过监测压裂液在井下水力压裂过程中流入井筒的流动特性，获取与流动数据相对应的第二数据集；

步骤三，处理声波数据和流量数据，通过将压裂现场附近光纤的单个位置处的传感部分的声波数据划分为两个或多个谱带，并确定每个谱带的平均强度，来确定向每个压裂现场供应的压裂液或支撑剂的量，并通过比较多个不同裂缝位置附近的声干扰强度水平来分析声学数据，以确定裂缝流体或支撑剂到各个裂缝位置的相对流速。

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