CN111542679A - 用于监视和优化储层增产操作的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于监视和优化储层中的增产操作的方法和系统。特别地，所述方法和系统利用井下遥测系统，诸如传感器和井下无线通信节点的网络，以监视各种增产操作。

Description

用于监视和优化储层增产操作的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年12月29日提交的标题为“Methods and Systems forMonitoring and Optimizing Reservoir Stimulation Operations”的美国临时申请序列No.62/611,655的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于监视和优化储层增产操作(stimulation operation)的方法和系统。特别地，本公开涉及利用井下无线网络来监视和优化储层增产操作(诸如酸化操作和/或压裂操作)的方法和系统。

背景技术

含烃地下地层(即，烃储层)的生产能力可以与多种因素有关，包括但不限于地层中存在的烃的量；地层的孔隙率和渗透率；地层内的压力；地层内的温度；地层内所含烃的粘度；暴露于含烃地层的井筒长度；以及地层中水、气和/或其它材料的存在。由于这些各种因素之间潜在的相互作用多种多样，因此地下地层中烃的存在本身并不能说明该烃可以被经济地采收。因此，已经开发出各种技术来增产储层，以增加从地下地层中烃的总采收率和/或有助于从低渗透性储层中烃的经济采收。

例如，已经开发了各种化学增产技术，诸如基质酸化技术。在这样的技术中，通过井注入能够溶解岩石基质的化学物质，诸如酸。化学物质的作用是去除井筒处的某些岩石材料，并清理和扩大近井筒环境中的地层孔隙。

作为另一个示例，已经开发了压裂操作，其包括以使得岩石基质将“分开”并形成裂缝网络的高压和速率将压裂流体注入地层中。可以使用各种压裂流体，例如剪切稀化的粘性流体、非牛顿凝胶或乳液。此外，压裂流体可与支撑剂材料(例如，沙、陶瓷珠或其它颗粒材料)混合，以在释放液压后使裂缝保持打开。

期望能够监视诸如压裂操作和化学增产操作之类的储层增产操作的有效性。例如，具有实时信息以便在使用增产流体时评估增产流体的有效性将是有用的。然后，可以使用这样的信息来确定是否应当使用不同的增产剂、是否应当以不同的压力注射增产流体，和/或是否应该使用更多或更少的增产流体。作为另一个示例，许多增产操作以多阶段操作完成，并且可以具有两个或更多个阶段。因此，在进行增产操作的下一阶段之前，在增产操作期间具有实时井下信息以评估一个阶段中的增产性能将是有用的。

因此，在诸如化学增产操作和/或水力压裂操作的储层增产操作中，需要实时信息来评估增产操作的性能。此外，期望在增产操作的每个阶段具有实时信息以优化并增加增产操作的效率。

背景参考文献可以包括(i)美国专利No.5,924,499；6,462,672；6,899,178；6,909,667；6,912,177；7,228,902；7,249,636；7,477,160；8,115,651；9,557,434；9,631,485；9,759,062；9,816,373；9,863,222；9,879,525；10,100,635；以及10,132,149；(ii)美国专利申请公开No.2008/0030365；2015/0292319；2015/0300159；2015/0354351；2016/0076363；2016/0215612；2018/005819；2018/0058198；2018/0058202；2018/0058203；2018/0058204；2018/0058205；2018/0058206；2018/0058207；2018/0058208；2018/0058209；以及2018/0066510；以及(iii)美国专利申请序列No.15/666334。

附图说明

图1是已经作为套管井完井(cased hole completion)完成的说明性井筒的侧视横截面视图。一系列通信节点沿着套管管柱放置，作为井筒中的井下无线遥测系统的一部分。

图2A是示例性通信节点的示意图。图2B是沿着节点的纵轴截取的示例性通信节点的横截面视图。

图3是利用多个顶侧节点的井下无线网络的布局的示意图。

图4A和4B提供了监视增产操作的图示。

图5是本文描述的方法的说明性实施例的流程图。

具体实施方式

现在将描述本发明的各种具体实施例、版本和示例，包括为了理解要求保护的发明的目的而在本文中采用的优选实施例和定义。虽然下面的详细描述给出了具体的优选实施例，但是本领域技术人员将认识到的是，这些实施例仅仅是示例性的，并且可以以其它方式来实践本发明。为了确定侵权，本发明的范围将指所附权利要求中的任何一个或多个，包括它们的等同物以及与所列举的内容等同的要素或限制。对“发明”的任何引用可以指由权利要求书限定的一个或多个但不一定是全部发明。

术语

下文定义本文所用的各种术语。在以下未对权利要求中使用的术语进行定义的范围内，应赋予相关领域技术人员对于该术语所给出的最广泛的可能的定义，如在至少一个印刷出版物或授权专利中反映的。

如本文所使用的，术语“通信节点”可以用于指顶侧通信节点、中间通信节点和/或传感器通信节点。

如本文所使用的，术语“导管”是指形成物理通道的管状构件，通过该物理通道来输送某些东西。导管可以包括管、歧管、管子等中的一种或多种，或包含在管状构件中的液体。

如本文所使用的，术语“确定”涵盖各种各样的动作，并且可以包括计算(calculating)、估算(computing)、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或其它数据结构中查找)、认定等。确定还可以指解决、选择、选定、建立等。

如本文所使用的，术语“流体”是指气体、液体以及气体和液体的组合，以及其中气体是流体的主要成分的气体和固体的组合，以及其中液体是流体的主要成分的液体和固体的组合。

如本文所使用的，术语“流体流量测量”是指测量一个或多个流体流量参数，包括但不限于速度、体积、压力、电阻率、振动、压降、温度、阻抗、衰减、密度、粘度、流量类型等中的一个或多个。此类测量可以被用于确定例如流体粘度、流体成分、相分数、横截面上的流和相的环形分布、流速等。

如本文所使用的，术语“流量”是指流体的流(current)或流(stream)。流量可以被理解为每单位时间通过一个点的流体的量。影响流量的因素可以包括但不限于压力(例如，流量与管道两端的压力差成正比)、长度(例如，流量与管道的长度成反比)、粘度(例如，流量与流体的粘度成反比)、流体的温度、流体密度、流体的可压缩性、流体的相数(即，单相或多相)、流体的摩擦力和化学特性。

如本文所使用的，术语“地层”是指任何可定义的地下区域。地层可以包含一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、任何地质地层的上覆岩层和/或下伏岩层。

如本文所使用的，术语“烃”是指主要但非排他地包括氢和碳元素的有机化合物。烃一般分为两类：脂族烃，也称为直链烃，和环状烃，也称为闭环烃。虽然烃一般包含氢和碳元素，但在一些实施例中，烃还可以包括少量其它元素或化合物，诸如但不限于卤素、金属元素、氮、氧、硫。含烃材料的示例包括任何形式的天然气、石油、煤炭和沥青。

如本文所使用的，术语“可冷凝的烃”是指在大约15℃和一个大气压下冷凝的那些烃。可冷凝的烃可以包括例如碳数大于3的烃的混合物。

如本文所使用的，术语“烃流体”是指为气体或液体的烃或烃的混合物。例如，烃流体可以包括在地层条件下、在处理条件下或在环境条件下(即，在大约20℃和1个大气压下)为气体或液体的烃或烃的混合物。烃流体可以包括例如油、天然气、气体冷凝物、煤层气、页岩油、热解油和其它呈气态或液态的烃。

如本文所使用的，“烃勘探”是指与确定地下区域中的烃的位置相关的任何活动。烃勘探通常是指通过获取与地下地层相关的测量数据以及数据的相关模型以识别烃聚集的潜在位置来获得测量结果所进行的任何活动。因而，烃勘探可以包括获取测量数据、对测量数据进行建模以形成地下模型，以及确定地下烃储层的可能位置。测量数据可以包括地震数据、重力数据、电磁数据、地球化学数据等。在一些实施例中，烃勘探活动还可以包括钻探勘探井、获得岩心样本或其它流体样本以及从岩心或流体样本获取测量数据。

如本文所使用的，“烃开发”是指与地下区域中的烃的开采规划和/或获取烃相关的任何活动。烃开发通常是指为计划从地下地层获取和/或生产烃以及相关数据建模以识别优选的开发方案和方法而进行的任何活动。例如，烃开发可以包括对地下地层进行建模和生产周期的开采计划、确定和计划要使用的装备以及从地下地层开采烃时要使用的技术等。

如本文所使用的，“烃生产”是指与从地下位置(诸如井或其它开口)提取烃相关的任何活动。烃生产活动可以指在完成完井之后为形成井筒而进行的任何活动以及井内或井上的任何活动。因而，烃的生产活动不仅包括一次烃的开采，而且还包括二次或三次生产技术，诸如注入气体或液体以增加驱动压力、移动烃或通过例如化学、水力压裂井筒以促进流量增加来处理烃、井服务、测井以及其它井和井筒处理。

如本文所使用的，“受监视的区段”和“多个受监视的区段”是指沿着管状构件的包括传感器和/或关注区域的位置。

如本文中所使用的，“不受监视的区段”和“多个不受监视的区段”是指沿着管状构件的不包括传感器和/或不是关注区域的位置。

如本文所使用的，术语“多区流体生产井”或“多区生产井”是指包括至少两个生产区的烃生产井。

如本文所使用的，术语“近实时”和“实时”可互换使用并且指在事件的发生和处理数据的使用之间，诸如为了显示或反馈和控制目的，由自动数据处理或网络传输而引入时间延迟的系统和方法。例如，近实时或实时显示将当前时间减去处理时间处存在的事件或情况描绘为几乎直播时间事件。关于“近实时”或“实时”的时间延迟可以是几毫秒到几分钟、几毫秒到几秒、或几秒到几分钟的量级。

如本文所使用的，术语“最优”、“优化”、“最优性”、“优化性”(以及那些术语的派生词和其它形式以及语言相关的词和短语)并不意味着在要求本发明找到最佳解决方案或做出最佳决定的意义上进行限制。虽然数学上最优的解决方案实际上可以达到所有数学上可用的可能性中的最佳解决方案，但是优化例程、方法、模型和处理的实际实施例可以朝着这样的目标努力而无需实际实现完美。因而，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的是，在本发明的范围的上下文中，这些术语是更一般的。这些术语可以描述以下当中的一个或多个：1)致力于解决方案，该解决方案可以是最佳可用解决方案、优选解决方案或在一系列约束内提供具体益处的解决方案；2)不断改进；3)精炼；4)搜索目标的高点或最大值；5)进行处理，以减少惩罚函数；6)在最大化、最小化或以其它方式控制一个或多个其它因素等方面，根据竞争和/或合作利益寻求最大化一个或多个因素。

如本文所使用的，术语“灌封”是指用环氧树脂、弹性体、硅树脂或沥青或类似化合物封装电气部件，以排除水分或蒸气。灌封部件可以或可以不气密密封。

如本文所使用的，术语“生产的流体”和“生产流体”是指从地下地层中移除的液体和/或气体。生产的流体可以包括烃流体和非烃流体。例如，生产的流体可以包括天然气、热解页岩油、合成气、煤的热解产物、二氧化碳、硫化氢和水(包括蒸汽)。

如本文所使用的，术语“生产套管”包括衬管或沿着所关注区域固定在井筒中的任何其它管状体。

如本文所使用的，术语“生产优化”是指可以用于提高烃流体生产效率、烃流体生产率、烃类流体回收、产气/油比、烃流体相、生产装置(plant)的利用以实现更高的产量的任何方法、装置、控制设备、阀门、化学品、度量、数据分析和/或系统；水切割，修井等。生产优化可以是实时生产优化，包括部分或完全自动化，和/或控制设置的优化。生产优化可以通过例如但不限于通过使用水垢、石蜡、沥青质和/或腐蚀中一个或多个的抑制剂来防止或抑制水垢、石蜡、沥青质和/或腐蚀来化学地实现；使用例如消泡剂、乳化剂、发泡剂、流动改进剂、示踪染料和/或水澄清剂、酸化等延长矿田寿命；使用例如溶解器、清洁剂、清除剂、吸附剂、水驱、CO₂驱等化学方法恢复或改善流动性能；使用例如泵(包括但不限于电动潜水泵、气举、水平地面泵、海底升降系统、脱水泵系统、地热泵系统、工业泵系统等)机械地，例如但不限于人工举升；气/水注入优化；油管尺寸优化；射孔优化；氮循环；等等。在某些情况下，生产优化可以包括密封漏失区。

生产优化可以包括但不限于以下当中的一个或多个：沿着井筒的长度均衡储层流入物，部分地阻塞流，通过降低跨越所选择区间(例如，诸如水平井的跟部)的环形速度来延迟水或气体穿透，调整来自例如过压或欠压的生产井的各个区(包括多区生产井的一个或多个区)的流量，减缓水和/或气体侵蚀并且通过均衡沿着井筒长度的压降来减少旁路储备的量，例如，以便促进油和气体均匀地流过地层，使得水和气体的到达被延迟并且是同时的。生产优化可以使用例如但不限于一个或多个控制设备来完成，包括例如ICD，其可以用于管理注入井中的流体流出。ICD可以被放置在注入井和生产井中；或更多远程致动的井下阀门，以关闭或减少来自一个或多个井生产区的流体流；流出物控制设备、阀门和对应的致动设备、井筒隔离设备(包括例如工具密封件、封隔器、水泥塞、桥塞)、化学控制设备等。

如本文所使用的，术语“密封材料”是指可以将壳体的盖子密封到壳体的主体上以足以承受一个或多个井下条件(包括但不限于例如温度、湿度、土壤成分、腐蚀性元素、pH值和压力)的任何材料。

如本文中所使用的，术语“传感器”包括任何感测设备或量规，诸如电气设备或量规。传感器可以能够监视和/或检测和/或测量流体流量参数，包括例如但不限于压力、压力降、温度、流体流量、流体类型、体积流量、流体速度、振动、电阻率、阻抗、衰减或其它流体流量数据。可替代地，传感器可以是位置或地点传感器。

如本文所使用的，术语“地下”是指出现在地球表面以下的区域。例如，地下可以在任何海拔高度或一定海拔高度范围内的任何一块土地的顶表面之下，无论是高于、低于还是等于海平面，和/或位于任何一块水的地面之下，无论是高于、低于还是等于海平面。

如本文所使用的，如本文所使用的术语“顶侧通信节点”是指可以位于顶侧、靠近表面的通信节点。顶侧通信节点可以是虚拟顶侧通信节点，其可以位于地下或井下，并且可以用作顶侧节点。虚拟顶侧通信节点可以位于例如包括但不限于垂直区段的底部的位置，例如，在偏离区段的开始处，例如，以便与多区井的多区水平区段进行通信。可以使用例如但不限于无线连接(例如，RF无线连接)、电缆、光纤电缆等中的一个或多个将数据带到表面，例如，放置到位于表面的接收器中。

如本文所使用的，术语“管状构件”或“管状体”或“地下管道”是指任何管道，诸如接头或套管、衬管的一部分、钻柱、产品管、注入管、管道接头、地下管线、水下管线或地上管线。

如本文所使用的，术语“井筒”是指通过在地下钻孔或插入管道而制成的地下孔。井筒可以具有基本上圆形的横截面或其它横截面形状。如本文所使用的，当提及地层中的开口时，术语“井”可与术语“井筒”互换使用。

如本文所使用的，术语“井数据”可以包括地震数据、电磁数据、电阻率数据、重力数据、测井数据、岩心样本数据及其组合。井数据可以从存储器或从井筒中的装备获得。井数据还可以包括与安装在井筒内的装备相关联的数据以及井筒装备的配置。例如，井数据可以包括管状构件的组成、管状构件的厚度、管状构件的长度、井筒内的流体组成、地层特性和/或与井筒相关的其它合适特性。

如本文所使用的，术语“区”或“关注区”是指包含烃的地层的一部分。关注区还可以包括将被隔离的包含盐水或可用水的地层。

描述

本发明涉及监视和优化储层中的增产操作的方法。特别地，这些方法和系统利用井下遥测系统，诸如传感器和井下无线通信节点的网络，以监视增产操作。例如，该系统可以采用沿着井筒中的管状构件间隔开的一系列通信节点。通信节点以节点到节点的方式无线地传输表示信息(例如，关于增产操作的信息)的分组的信号，并将信息从地下递送到顶侧。因此，关于增产操作的信息，诸如压力数据、温度数据、流率数据、密度数据、振动数据、应变数据和/或声学数据，可以在增产操作之前、之中和之后由各种井下传感器收集。然后，该信息由无线通信节点传输到顶侧，在那里井操作人员可以使用该信息来优化增产操作。

例如，在一个或多个实施例中，该方法可以包括从井下传感器获得第一数据信号，其中该数据信号指示至少一个地下状况(诸如温度、压力、应力、应变等)；经由井下无线网络将第一数据信号从地下传输到地面；进行第一阶段的增产操作(例如，酸化和/或水力压裂操作)；从井下传感器获得第二数据信号，其中该数据信号指示至少一个地下状况(诸如温度、压力、应力、应变等)；经由井下无线网络将第二数据信号从地下传输到地面；分析数据信号以确定与增产操作的有效性相关的信息(例如，已经有压力变化、已经有温度变化、已经有应力和/或应变变化)；基于经分析的数据来修改、调整和/或优化增产计划；以及生产烃。

作为另一个示例，在一些实施例中，可以对通信节点进行编程以将信号(例如，与增产操作相关联的通知)传输至控制单元(例如，与增产操作一起使用的井下工具、顶侧通信节点和/或与增产操作一起使用的其它计算机系统)。通知可以包括检测压力的变化、温度的变化、增产流体的流率的变化、烃流体的流率的变化、密度的变化、伽玛射线发射的变化、振动的变化和/或应变的变化。然后，该通知可以被用于调整穿孔的定时或频率和/或增产流体的注入、在一个或多个井筒阶段中调整或停止增产流体的注入、改变在一个或多个井筒阶段中使用的增产流体的类型，和/或调整下一个阶段的增产计划。

因此，本方法和技术可以被用于监视和优化各种增产操作。例如，本方法和技术可以被用于监视酸化和压裂操作，以最小化和/或优化原材料(诸如水、酸、支撑剂和/或压裂流体)的使用。例如，本方法和技术可以被用于通过监视球密封和/或流体流量模式来改善增产操作的每个阶段的可靠性。例如，本方法和技术可以被用于监视压裂之前和之后的压力、温度和/或振动，从而被用于消除一个或多个压裂阶段，和/或用于增加一个或多个阶段中的压裂强度。例如，本方法和技术可以被用于通过利用来自地层中的一个或多个井筒的信息以创建、修改或优化用于在地层中钻探另外的井、井间距和/或钻削深度的计划来创建或修改地层的烃生产计划。

可以参考附图来进一步理解本发明的方法和技术，这在下面进一步描述。在某些图中(诸如图1)，绘图页的顶部应朝着地球地面，而绘图页的底部应朝着井底。虽然通常以基本垂直的朝向完成井，但是应该理解的是，井也可以是倾斜和/或水平地完成的(如图1中所示)。因此，当参考附图或权利要求使用描述性术语“上”和“下”或“上部”和“下部”或类似术语时，它们旨在指示在附图页面上或相对于井描述的相对位置，并且不一定是在地面上的绝对朝向，因为无论井筒如何定向，本发明的至少一些实施例都具有实用性。因此，本发明可以在垂直完成的井，水平完成的井或多边偏斜井中具有相同的效用，如本文进一步所述。

还可以参考流程图(诸如图5中的流程图)更好地理解本文描述的本方法和技术。虽然为了简化说明的目的，在图5中可以将所示出的方法示出并描述为一系列方框，但是应该认识到的是，这些方法不受方框的顺序的限制，因为一些方框可以以不同的次序发生和/或与所显示和描述的其它方框同时进行。而且，实现示例性方法的各种实施例可能需要少于全部示出的方框。方框可以组合或分离为多个部件。此外，附加和/或替代方法可以采用本文未示出的附加方框。虽然附图图示了串行发生的各种动作，但是应该认识到的是，各种动作可以串行、基本上并行和/或在基本上不同的时间点发生。

图1是说明性井场100的侧面横截面视图。井场100包括渗透到地下地层155中的井筒150。井筒150已经完成，作为用于生产烃流体的套管井完井(cased-hole completion)。井场100还包括井口160。井口160位于地表地面101处，以控制和引导地层流体从地下地层155流到地面101。

井口160可以是在井的顶部接收储层流体的任何管道或阀门布置。在图1的布置中，井口160是所谓的圣诞树型。当地下地层155具有足够的原地压力以将采出流体(production fluid)从地层155驱动，向上延伸至井筒150并到达地面101时，通常使用圣诞树型。说明性的井口160包括顶部阀162和底部阀164。在一些情况下，这些阀被称为“主阀”。也可以使用其它阀门。在海底环境中，井口还可以包括海下立管总成(riser package)(未示出)。

应该理解的是，代替使用圣诞树型，井口160可以可替代地在地面101处包括驱动泵的马达(或原动机)。泵进而使抽油杆集合和连接的正排量泵(未显示)在井下往复运动。泵可以是例如摇梁单元或液压活塞泵单元。仍然可替代地，井口160可以被构造为支撑具有井下电动潜水泵、气体提升阀或其它人工提升手段(未示出)的一连串生产管。除非在权利要求中明确指出，否则本发明不受地面处的生产装备的构造的限制。

图1中的井筒150已用一系列管柱(称为套管)完成。首先，将表面套管110管柱固结到地层中。在井筒150的围绕表面套管110的环形孔115中示出了水泥。水泥为环形护套112的形式。表面套管110具有与下部阀164密封连接的上端。

接下来，将套管120的至少一个中间管柱固结到井筒150中。套管120的中间管柱与上主阀162密封流体连通。再次在井筒150的孔115中示出了水泥护套112。套管110/120和水泥护套112在孔115中的组合加强了井筒150，并有助于隔离套管110/120后面的地层。

应理解，井筒150可以并且通常将包括多于一个中间套管120管柱。在一些情况下，中间套管管柱可以是衬管。取决于监管要求和任何相邻地层中迁移流体的存在，其中一些中间套管管柱可以只部分固结到位。

最后，提供生产管柱130。使用衬管悬挂器131将生产管柱130从中间套管管柱120悬挂。生产管柱130是不绑回到地面101的衬管。优选地，所有生产衬管130都被固结到位。在图1的布置中，沿着衬管130的整个长度在衬管130周围提供水泥护套132。

生产衬管130具有延伸到井筒150的端部154的下端134。因此，井筒150被称为是作为套管井(cased-hole well)来完成的。在图1中，生产衬管130延伸穿过地层155的水平部分190。井筒150的水平部分190通常延伸数百英尺。例如，水平部分190可以延伸超过250英尺，或者超过1000英尺，或者甚至超过5000英尺。延伸井筒150的水平部分190如此大的距离显著增加了井筒150对地层155的暴露。

地层155可以是任何含烃地层。但是，在一些实施例中，地层可以是具有良好固结但渗透性差的碳酸盐或砂岩地层，或者可以是具有低渗透性的页岩地层。例如，在一些实施例中，地层的渗透率可以小于100毫达西(“mD”)、或小于50mD、或小于10mD、或小于1mD。如图1所示，以所谓的“致密”或“非常规”地层完井的井通常是水平完成的。水平完井不仅显著增加了井筒对生产岩面的暴露程度，而且使操作人员能够产生与井筒方向基本横向的裂缝。本领域普通技术人员可以理解，岩石基质一般将在垂直于最小主应力方向的方向上“分开”。对于更深的井，该方向通常基本上是垂直的。虽然图1图示了水平完成的井，但是本领域技术人员将理解，本方法和技术在优化其它井布置(例如，垂直完成的井或多边斜井)中的增产操作中将具有相同的效用。

图1中所示的井筒150已穿孔159，用于压裂操作。即，作为完井过程的一部分，对套管进行了穿孔，从而通过套管和围绕套管的水泥护套射出了侧向孔，以允许烃类流体流入井筒。可以使用各种技术来产生穿孔。常用技术使用井筒工具，该工具包括射孔枪和可选的压裂塞。井筒工具可以是有线线路工具，也可以是自主工具(即，不需要有线线路并且不机械地拴系到井筒外部的装备的工具)。

例如，可以将包括各种射孔枪和相关联装药的井底钻具组合(“BHA”)插入井筒。操作人员可以控制BHA，使炸药爆炸，从而执行穿孔。因此，在一些实施例中，BHA可以被部署到井筒中，在井筒中上下移动，从而允许操作人员沿着各个关注区对套管进行穿孔，然后顺序地隔离相应关注区，从而可以将压裂流体注入关注区。

作为另一个示例，在一些实施例中，可以使用被称为即时穿孔(“JITP”)的过程，由此操作人员能够以顺序的层段穿孔并增产地下地层。JITP过程在美国专利No.6,543,538中被进一步描述，其公开内容通过引用并入本文。JITP过程可以包括：使用穿孔设备，对由井筒横穿的一个或多个地下地层的至少一个层段进行穿孔；通过穿孔将处理流体泵入所选择的层段，而无需从井筒中移除穿孔设备；在井筒中展开或激活物体或物质，以可移动地阻止进一步的流体流入处理过的穿孔；以及在地下地层的至少一个以上的层段内重复上述过程。

可以与JITP过程结合使用称为“环形连续油管压裂”或ACT-Frac过程的附加过程。在ACT-Frac过程中，使用可重置的封隔器来提供区之间的隔离。因此，JITP和ACT-Frac过程可以结合使用，以提供以下技术：(1)经由井下装备的单次部署实现多个目标区或的增产；(2)使得能够针对每个单独的区选择性地放置每种增产措施，以增强井的生产率；(3)在区之间提供转移，以确保每个区均按设计进行处理，并且先前处理过的区不会被无意中损坏；以及(4)允许以高流率泵送增产处理，以促进高效的和有效的增产。因此，这些多区增产技术增强了从包含多个堆积的地下层段的地下地层的烃采收。

返回图1，在三个分开的区102、104和106中提供穿孔159。每个区可以具有任何长度，但是一般每个区可以表示例如高达大约200英尺，或高达100英尺或高达50英尺的长度。一般而言，每个区的长度可以取决于多个因素，诸如该区中岩石材料的类型、该区的渗透率、该区的孔隙率和/或该区中的烃流体组成。如下文进一步所述，本文所述的方法和技术可以用于确定期望压裂区的最优长度和间距。虽然仅示出了穿孔159的三个集合，但是应该理解的是，水平部分190在附加区中可以具有穿孔159的更多集合。

图1的井筒150还具有注入管140管柱。注入管140从井口160向下延伸至地下地层155。在图1的布置中，注入管140在地下地层155的上端附近终止。在操作中，操作人员可以分别并顺序地刺激和处理每个区102、104和106。因此，应理解的是，注入管140可以被拉动通过井筒150的水平部分，使得注入流体可以根据需要分别并顺序地通过区域102、104和106中的穿孔159被注入。

封隔器141在注入管140的下端处提供。当通过穿孔159的集合注入诸如酸和/或压裂流体之类的注入流体时，设置封隔器141。当是时候将注入管140移动到不同区或将其从井筒150完全移除时，封隔器141将被释放。

在准备生产烃时，操作人员可能希望通过进行酸化操作来刺激地层155。这用于沿着井孔115的壁和进入井筒附近区域(地层155内靠近生产套管130的区域)两者清除残留的钻井泥浆。酸化操作可以通过将酸性溶液注入井筒并穿过穿孔来完成。当地层包含碳酸盐岩时，使用酸化溶液特别有利。因此，在一些实施例中，操作人员可以将浓甲酸或其它酸性组合物注入井筒中，并将流体引导至所选择的关注区域中。酸有助于溶解碳酸盐物质，从而打开多孔通道，烃类流体可以通过这些通道流入井筒。此外，酸还有助于溶解可能侵入地层的钻井泥浆。酸化可以单独进行，或者作为压裂操作的补充，诸如在压裂操作之前或之后。

在优选实施例中，操作人员可能希望压裂地层155。这是通过在高压力下将压裂流体通过穿孔159注入地层155来完成的。压裂过程沿着地层155产生裂缝108，以增强进入生产套管130中的流体流量。在地层的自然或水力诱发的裂缝平面垂直的情况下，水平完成的井筒(部分190)允许生产套管130与多个裂缝平面相交。水力压裂操作通常包括以高压力和高速率将粘性流体(通常为剪切稀化非牛顿凝胶或乳状液)注入地层中，以致储层岩石破裂并形成裂缝网络。压裂流体通常与粒状支撑剂材料(例如，沙子、陶瓷珠或其它粒状材料)混合。在释放水力压力之后，支撑剂用于使裂缝保持开放。裂缝和注入的支撑剂的组合有助于增加已处理储层的流量。

期望井的操作人员了解在井筒内进行的任何增产操作的有效性。为此，在图1的井场100处提供了井下遥测系统。遥测系统使用沿着井筒中的导管和/或管的长度布置的一系列通信节点180。在一些实施例中，通信节点可以沿着套管管柱110、120和/或130的外径放置或定位。在一些实施例中，通信节点可以凹入管体内、在管体内的内部、在管接头的横截面端处、和/或定位在管通孔内部，及其组合。例如，通信节点可以放置在每个管接头或套管接头上，或者可以沿着每个第二或每个第三管接头放置在所选择的位置。在一些实施例中，一些管接头接收两个或更多个通信节点。

优选地，通信节点180是独立的无线通信设备，其被设计为附接到导管或管状构件的外表面，但是也可以附接到内表面、端面(例如，在连接件的横截面端面)、嵌入导管或管状构件的壁内，或其组合。使用外部放置的使用声波的通信节点有很多好处。例如，这样的节点将不会减小导管或管状构件的有效内径，该有效内径会干扰随后的组件或管穿过导管或管状构件的内孔。另外，可以容易地评估和调整通信节点到外表面的安装和机械附接。

通信节点被设计为附接到导管或管状构件(诸如套管或管道)的壁。例如，可以将通信节点预焊接到导管或管状构件的壁上。可替代地，可以使用诸如环氧树脂之类的粘合剂来胶合通信节点。在一些实施例中，可以优选的是，将通信节点配置为通过井场处的机械手段选择性地附接到导管或管状构件和/或从导管或管状构件可拆卸。例如，这可以通过使用夹具来完成。例如，可以使用夹紧系统，该夹紧系统将允许钻探或服务公司在管状体进入井筒时沿着管状体机械地连接/断开通信节点。

在图1的布置中，通信节点180可以表示多个地下通信节点180。每个地下通信节点180被配置为沿着井筒150的长度接收并随后中继声学信号，诸如从地下地层155直到地面101。通信节点180传输声音信号。优选地，地下通信节点180利用双向收发器来接收和传输作为声波的信号。声波优选地处于大约50kHz至500kHz之间或大约100kHz至大约125kHz之间的频率。

通信节点还包括一个或多个顶侧通信节点182。在图1中，仅示出了一个顶侧通信节点；但是，在一些实施例中，可以使用两个或更多个顶侧通信节点(诸如在图3中所示的实施例中)。顶侧通信节点182被放置成最靠近地面101。顶侧节点182被配置为从最上面的地下通信节点180接收声学信号。因此，通过多个通信节点180以节点到节点的布置将信号从地下传递到顶侧通信节点182。顶侧通信节点182通常被配置为从多个通信节点180接收声学信号并将声学信号转换成电和/或光信号，然后将其中继到地面101处的接收器170。顶侧通信节点182可以在等级以上(即，在地面上方)或在等级以下(即，在地面以下)。在优选实施例中，顶侧通信节点182实际上连接到井口160。

图3提供了利用两个顶侧通信节点的井下无线网络的简化图示。在图3中，提供了井场300，其中井310从地面延伸到地下301。井310的井口320在直接位于地面水平以下的地下室330中。除了井口320，在地下室330内还存在两个顶侧通信节点370和380。井310从地下室进一步延伸到地下，并且可以包括各种套管和生产管柱，如参考图1进一步描述的。在图3中，存在表面导体350和表面壳体340。在表面套管内是通信节点360。通信节点可以如参考图1、图2A和图2B所描述的。在图3中，两个顶侧通信节点被示为位于分开的壳体370和380中。但是，在一些实施例中，两个或更多个顶侧通信节点可以被结合到单个壳体中，该单个壳体结合了多个顶侧通信节点的组合功能。

(一个或多个)顶侧通信节点用作井下通信节点与地面之间的桥梁，并因此充当通向井下无线网络的网关。因此，在一些实施例中，如图3所示，具有两个或更多个与套管、导体、井口或其它顶侧装备声学接触的顶侧通信节点或顶侧通信节点等效物(即，单个壳体内的多个节点)可以提供重大利益。例如，使用多个顶侧通信节点可以提供改进的操作风险，诸如通过提高通信的稳健性，而不管井筒中的声学条件随时间而变化；它们还可以提供改进的网络可用性，诸如通过允许维护期间连续的网络操作(例如，更换顶侧节点中的电池)；它们还可以提供改进的能量消耗(例如，顶侧节点越多，井下网络到达顶侧节点的不成功尝试的可能性就越小)；并且它们可以提供增加的生产率，诸如通过允许监视网络活动、预览备用通信设置、识别新生问题和/或促进自主操作的能力。

例如，使用多个顶侧通信节点可以使与井下网络进行可靠的顶侧通信的可能性最大化。即，在井操作期间，可能出现以下情况：一个顶侧通信节点与一个或多个井下通信节点通信时出现问题，而另一个顶侧通信节点能够实现成功的通信。这常常可以是由于顶侧通信节点相对于井下通信节点的不同放置(因此，不同的声学连接)，或者可以是由于其它随时间变化的不利声学现象，诸如温度变化和/或生产流变化。

作为另一个示例，使用多个顶侧通信节点的另一个好处是能够使一个节点参与遥测通信，而另一个节点能够监视、记录和/或报告正在被传输的信号。以这种方式，非参与节点可以被用于在通过遥测系统发送井下通信节点和/或先前的替代通信设置之前对它们进行测试和优化。

作为又一个示例，使用多个顶侧节点的另一个好处是它们可以提供接近网络的信道容量的能力。即，多个顶侧通信节点可以同时与不同的井下通信节点通信，因此，增加了网络的通信容量，并且更接近网络的理论信道容量。

返回图1，井场100图示了接收器170。接收器170包括处理器172，处理器172接收从一个或多个顶侧通信节点182发送的信号。处理器172可以包括离散逻辑、各种集成电路逻辑类型中的任何一种，或微处理器。接收器170还可以包括屏幕和键盘174(或者作为小键盘或者作为触摸屏的一部分)。接收器170也可以是既没有屏幕也没有键盘的嵌入式控制器，其经由蜂窝调制解调器、卫星、Wi-Fi或电话线与远程计算机通信。一方面，处理器172是具有特定“应用”和无线连接性的多功能“智能电话”的一部分。

信号可以由接收器170通过电线(未示出)(例如，同轴电缆、光纤电缆、USB电缆或其它电气或光学通信线)接收。可替代地，接收器170可以通过调制解调器或收发器或其它无线通信链路无线地从顶侧节点182接收最终信号。在一些实施例中，接收器170可以经由所谓的1类、1区导管，即，由NFPA 497和API 500定义的用于电线的壳体，来接收电信号，以在电分类区域中操作。可替代地，可以经由电磁(RF)无线连接将数据从顶侧节点传输到接收器。在一些实施例中，也可以或可替代地使用红外或微波信号。

然后，从各种通信节点获得的信号和数据可以被井筒操作人员用来监视和/或优化井筒的烃开发或烃生产操作。例如，所接收的信号和数据对于增强烃的操作可以是有益的，诸如优化增产操作(stimulation operation)，如下文进一步所述。

图1中的通信节点180和图3中的360可以具有各种配置，诸如图2A中所示的通信节点255或图2B中所示的通信节点200。一般而言，通信节点包括支撑一个或多个电源的细长体和电声换能器。电声换能器与收发器相关联，该收发器以第一频率接收声学信号、将接收到的信号转换成数字信号，并以第二频率将声音信号传输到下一个通信节点。因此，每个节点中的电声换能器允许将信号作为声波从节点到节点沿着井筒向上发送。有益地，地下通信节点不要求电线或电缆来将数据传输到地面。

图2A是示例性通信节点255的图。通信节点255可以包括壳体260以及中央处理单元(“CPU”)270；存储器275，其可以包括将由CPU 270执行的指令或软件；一个或多个编码部件285；一个或多个解码部件290；电力部件295；和/或一个或多个感测部件280；所有这些都经由总线216进行通信。

电力部件295通常被配置为向通信节点255内的部件提供电力。电力部件可以包括一个或多个电池、电容器、超级电容器、燃料电池或其它能量存储部件。电池和/或燃料电池可以是或可以不是可再充电的。

CPU 270可以是任何通用CPU，但是可以使用其它类型的CPU体系架构，只要CPU270支持本文所述的通信节点的操作即可。在一个或多个实施例中，CPU 270可以包含一个或多个微处理器，并且可以是片上系统(“SOC”)、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)和/或现场可编程门阵列(“FPGA”)。CPU 270可以执行各种逻辑指令以操作通信节点255。例如，CPU可以执行机器级指令，以执行对数据和/或信号的处理，如本文所述。

存储器275可以包括随机存取存储器(“RAM”)，诸如静态RAM(“SRAM”)、动态RAM(“DRAM”)、同步DRAM(“SDRAM”)等，只读存储器(“ROM”)，诸如可编程ROM(“PROM”)、可擦PROM(“EPROM”)、电子可擦PROM(“EEPROM”)。此外，存储器275可以包括NAND闪存和/或NOR闪存。

为了管理通信，通信节点255使用壳体260内的一个或多个编码部件285和一个或多个解码部件290。可以包括一个或多个换能器的编码部件285可以被部署在壳体260内并且可以被配置为在音调传输介质上生成声学音调和/或诱发声学音调。可以包括一个或多个换能器的一个或多个解码部件290可以被部署在壳体260内并且可以被配置为从音调传输介质接收声学音调。编码部件285和解码部件290可以包括存储在存储器中并用于执行声学音调的生成或声学音调的解码的指令以及数据分组到声学音调的压缩或解压缩。在一个或多个实施例中，编码部件285和解码部件290可以使用相同的换能器。

一个或多个感测部件280可以被配置为获得感测数据(诸如测量数据)并且将该数据传送到换能器以用于传送到其它通信节点。举例来说，感测部件280可以被配置为获得压力测量、温度测量、流体流量测量、振动测量、电阻率测量、电容测量、应变测量、声学测量、增产和/或水力压裂特性测量、化学测量、位置测量和/或其它合适的测量。参考图2B描述合适的感测部件的附加示例。

图2B提供了通信节点200的另一个示例性配置，并且示出了沿着其纵轴的通信节点200的横截面视图。通信节点200包括壳体210，诸如流体密封的壳体。如上所述，壳体210被设计为附接到井筒导管或管状构件的接头的外壁。通信节点可以被特别设计为承受井筒的腐蚀和环境条件(例如，高温、高压)。例如，通信节点可以包括用于保持电子器件(例如，电池和/或电声换能器)的钢制的、流体密封的壳体。在一些实施例中，钢材是抗腐蚀合金。在一些实施例中，可以期望使通信节点的壳体与导管或管状构件的壳体冶金匹配，以帮助避免在耦合处的电偶腐蚀。在一些实施例中，可以期望由具有与管状体的谐振频率兼容的谐振频率的材料来制造通信节点的壁。例如，壁212的机械谐振可以处于包含在遥测系统所使用的频带内的频率。

壳体210包括外壁212。壁212的维度被确定为保护用于通信节点200的内部电子器件免受井筒流体和压力的影响。在一些实施例中，壁212可以具有小于0.5英寸的厚度，例如从0.01英寸至0.5英寸的厚度，或从大约0.01英寸至大约0.4英寸的厚度，或从0.1英寸至大约0.3英寸，或大约为0.2英寸(0.51cm)的厚度。壳体210可选地还具有保护性外层225。保护性外层225位于壁212的外部，并为电子器件提供附加的薄保护层。

通信节点200可以具有适用于井下环境的任何尺寸。例如，当通信节点沿着管状体驻留时，其长度可以是大约12至16英寸。通信节点的壳体210的长度可以是8至10英寸，并且每个相对的鞋状物250的长度可以是2至5英寸。另外，通信节点的宽度可以是大约1英寸，高度可以是大约1英寸。通信节点的底部可以具有大致与管状体的半径匹配的凹形轮廓。

在壁212内形成孔205。孔205容纳电子器件，诸如电池230、电源线235、收发器240和电路板245。电路板245将优选地包括处理声学信号的微处理器或电子模块。提供电声换能器242以将声能转换成电能(或反之亦然)，并且在附接到管状体的一侧上与外壁212耦合。换能器242可以与一个或多个传感器232和/或234电连通。

传感器可以是例如压力传感器、温度传感器或麦克风，或者如本文或参考图2A所述的任何其它传感器。传感器232和/或234通过短电线或通过印刷电路板245将信号发送到收发器240。使用电声换能器242将来自传感器232的信号转换成声学信号，然后将其作为信息的分组的一部分由收发器240发送。例如，传感器将测量一条数据，诸如温度测量、应变测量、声学噪声数据、地震检波器数据等，然后换能器将这条数据(例如，温度)转换成指示该数据的声波波形，然后由收发器发送到下一个通信节点。

在图2B中，传感器232驻留在通信节点200的壳体210内。但是，在一些实施例中，可以没有传感器232，而是传感器234可以驻留在通信节点200的外部。外部传感器可以沿着井筒在通信节点200上方或下方。在图2B中，提供了虚线，示出了传感器234与电声换能器242之间的扩展连接。

虽然图2B图示了与通信节点200相关联的传感器，但是在图1所示的网络中，不要求所有通信节点180都拥有传感器或与传感器相关联。即，一些通信节点180可以具有传感器，而其它通信节点可以没有并且可以简单地用于沿着井筒上下传输信息。

返回图2B，通信节点200还可选地包括鞋状物250。例如，节点200可以包括布置在壁212的相对端的一对鞋状物250。每个鞋状物250提供斜面，该斜面有助于防止节点200在磨合或拉出期间视情况悬挂在外部管状体或周围的地层上。鞋状物可以具有保护性外层222和在外层222下方的可选的缓冲材料。

如图2B中所看到的，通信节点具有独立电源230。独立电源230可以是例如电池或燃料电池。具有驻留在通信节点的壳体内的电源避免使电连接穿过壳体的需要，这会损害流体隔离。

如以上参考图1、图2A和图2B所描述的，每个通信节点可以具有发送和接收信号的能力，使得井下无线网络能够以从节点到节点的布置从地下向地面传输数据。在优选实施例中，在节点之间传输的数据由声波表示。在一些实施例中，使用多频移键控(“MFSK”)调制方法来完成声学遥测数据传输。虽然MFSK非常适合用于本文所述的井下无线网络，但其用途仅作为示例，并不旨在进行限制。即，已知数字数据调制的各种替代形式是可用的，例如，频移键控(“FSK”)、多频信令、相移键控、脉冲位置调制和开/关键控。

因此，由通信节点内的电换能器生成的信号穿过通信节点的壳体到达管状体(诸如生产或套管管柱)，并沿着管状体传播到其它通信节点。然后，将数据在节点到节点布置中沿着井筒向上重新传输，直到到达顶部通信节点和井操作人员。重新传输的信号表示由第一感测通信节点最初传输的相同传感器数据。

在一些实施例中，可以由(一个或多个)磁致伸缩换能器生成和接收声学信号，该磁致伸缩换能器包括缠绕在芯上作为收发器的线圈。在一些实施例中，声学信号由压电陶瓷换能器生成和接收。在任一情况下，电编码的数据都被变换成声波，该声波将通过井筒中管状体的壁来被携带。

沿着管状件的声学遥测的特征在于持续毫秒周期的多路径或混响。因此，几毫秒持续时间的传输的音调确定了附加毫秒时间段内的主要接收频率。优选地，通信节点通过在与混响时间对应的时间段内接收或“监听”声波来确定传输的频率，该时间段通常比传输时间长得多。音调持续时间应当足够长，以使音调突发的频谱在相邻音调的频率处具有可忽略的能量，并且监听时间必须足够长，以使多路径的振幅明显减小。例如，音调持续时间可以是2毫秒(ms)，然后发送器在发送下一个音调之前可以保持静音48ms。但是，接收器将侦听50ms(2+48)，以确定每个传输的频率，并利用长混响时间使频率确定更加确定。有利的是，通过短时间段传输并利用多路径来延长期间可以检测到传输的频率的监听时间来减少传输数据所需的能量。

例如，如上所述，可以采用MFSK调制，其中从16个音调的字母中选择每个音调，以使其表示4位信息。例如，在50ms的监听时间下，数据速率为每秒80位。

音调被选择为信号可在高于环境和电子噪声被检测到的频带内，远离发送器节点至少两个节点，从而如果一个节点发生故障，那么可以通过直接在其上方和下方的最近邻居之间传输数据来绕过它。例如，音调可以在大约100kHz至大约125kHz的频带内的周期中均匀地间隔开。作为另一个示例，音调可以在大约100kHz至大约125kHz的频带内的频率中均匀地间隔开。

优选地，节点采用“跳频”方法，其中最后传输的音调不被立即重用。这防止扩展的混响被误认为是相同频率下第二个传输的音调。例如，在MFSK调制方案中，使用17个音调来表示数据；但是，最后使用的音调被排除在外，因此在任何时候实际上只有16个音调可供区段使用。

可以通过使用众所周知的常规模拟和/或数字信号处理方法来减轻信号中的任何外来噪声。噪声移除和信号增强可以涉及使用例如带通滤波器通过信号调节电路来输送声学信号。

返回图1，每个通信节点与特定的导管或管状构件相关联，并且可以与特定的管道接头相关联。管道的接头进而沿着井筒具有已知的位置或深度。最初从通信节点传输的每个声学波将表示信息的分组。该分组将包括标识码，该标识码告诉接收器(诸如图1中的接收器170)信号的起源，即，信号来自哪个通信节点180。例如，分组可以包括最初由通信节点180为其相关联的管道接头记录的振幅值。然后，信息的分组从地下的通信节点180节点到节点中继到接收器170上的一个或多个顶侧节点182a。

照此，每个信号定义信息的分组，该信息的分组至少具有最初传输该信号的地下通信节点的标识符(诸如声学振幅值)。当信号到达地面处的接收器时，对信号进行处理。这涉及识别信号源自哪个通信节点，然后确定该通信节点沿着井筒的位置。

数据分组还可以包括从与通信节点相关联的一个或多个传感器获得的数据。如上所述，通信节点可以包含一个或多个传感器或与一个或多个传感器相关联。传感器可以是例如流体速度测量设备、温度传感器、压力传感器、流体密度传感器、麦克风、超声传感器、多普勒频移传感器、化学传感器、成像传感器、阻抗传感器、衰减传感器、流体电阻率传感器和/或其它有用类型的传感器。一般而言，传感器将信号发送到收发器，然后收发器使用电声换能器将其转换成声学信号，然后由收发器将其作为信息的分组的一部分发送。因此，通信节点可以被配置为从相关联的传感器接收信号，并发送指示由传感器取得的读数的信号。

如上所述，本方法和技术可以对监视和优化储层中的增产操作(诸如压裂和/或酸化作操作)有用。例如，图5是根据本技术的实施例的示例性流程图500。流程图500是用于进行增产操作(诸如酸化或水力压裂操作)的方法。一般而言，该方法可以包括：在增产操作之前和之后获得数据信号，评估和分析数据信号以确定关于增产操作的信息，以及使用经分析的数据来修改、调整和/或优化增产操作。

虽然在图5中未示出，但是该方法可以首先包括提供如本文所述的井下无线网络。网络可以包括一系列通信节点，这些通信节点与井筒中的管附接，其中相邻的通信节点被配置为通过经由管传输的声学信号进行通信。网络还包括与至少一个通信节点相关联的至少一个传感器。

一旦安装了井下无线网络，方框502处的方法就可以包括从井下传感器获得第一数据信号。通常，井下传感器与井下无线网络中的至少一个通信节点相关联。数据信号可以包括来自传感器的测量，并且一般指示至少一种地下状况。例如，数据信号可以包括温度测量、压力测量、应力测量、应变测量等。然后在方框508处，数据信号经由井下无线网络中的一系列通信节点从地下传输到地面。

在方框504处，进行第一阶段的增产操作。例如，增产操作可以包括对井筒所穿越的地下地层的至少一个层段进行穿孔；将处理流体(诸如酸溶液或水力压裂流体)泵送、引入和/或注入井筒的至少一个层段；和/或在井筒中部署或激活物品或物质(诸如球密封器)以阻止进一步的流体流入井筒的层段。因此，在一个或多个实施例中，增产操作可以是酸化处理，并且在方框504处，可以将酸溶液引入和/或注入地下地层中。作为另一个示例，在一个或多个实施例中，增产操作可以是水力压裂操作，并且在方框504处，可以使用射孔枪在地下地层中形成一个或多个穿孔和/或水力压裂流体可以被引入和/或注入地下地层。

在方框506处，从井下传感器获得第二数据信号。井下传感器可以是在方框502处获得数据信号的相同的井下传感器，或者可以是不同的井下传感器。第二数据信号可以包括来自传感器的测量，并且一般指示至少一种地下状况。例如，第二数据信号可以包括温度测量、压力测量、应力测量、应变测量等。然后，在方框508处，第二数据信号经由井下无线网络中的一系列通信节点从地下传输到地面。

在方框510处，分析数据信号以确定关于增产操作的有效性的信息。例如，可以进行分析以确定是否存在压力变化、温度变化和/或应力和/或应变的变化。

在方框512处，经分析的数据然后被用于修改、调整和/或优化增产操作。例如，可以确定应当链接增产操作的至少一种条件。作为示例，可以确定需要增加、减少或停止被引入地下地层中的处理流体(例如，酸溶液和/或水力压裂流体)的量；处理流体(例如，酸溶液和/或水力压裂流体)的类型需要改变；需要增加或减小将处理流体(例如，酸溶液和/或水力压裂流体)引入地下地层的压力。作为另一个示例，可以确定在井筒中的那个层段处的增产操作是成功的，并且操作人员可以移动以在井筒的下一个层段中执行增产操作。

在一些实施例中，(一个或多个)井下传感器可以包括温度传感器，并且从传感器收集并由通信节点传输的数据信号可以包括代表温度传感器所取得的温度读数的信号。例如，通信节点可以传输信息的分组，该信息的分组包括(i)最初传输数据的地下通信节点的标识符，以及(ii)指示由温度传感器取得的温度读数的声波波形。可以分析来自增产操作之前、期间和之后的温度信号以确定指示裂缝形成活动、增加的烃流体流量或流体类型的变化的温度变化。在一些实施例中，来自多个井下传感器的温度读数可以被传输到地面。多个温度读数可以被求平均以确定井筒的一部分(诸如被穿孔和/或被增产的层段)和/或套管的特定区段的移动平均温度。然后可以将平均温度与未穿孔和/或未增产的其它层段和/或套管其它部分的温度读数进行比较。在一些实施例中，温度读数可以被集成到地下地图或地下模型中，以帮助分析裂缝形成和/或烃随时间流过地层，诸如在增产操作之前、期间和/或之后。来自温度传感器的数据也可以与来自其它类型传感器的数据集成。

在一些实施例中，(一个或多个)井下传感器可以包括应变计，该应变计可以被用于确定在增产操作期间和/或之后套管上的应力的变化，和/或识别传感器附近的体积变化。例如，应变计数据可以被用于检测由于储层流体通过增产地层涌入而导致的井筒压力增加。因此，来自应变计的数据可以作为发送到地面处的接收器进行分析的信息的分组的一部分包括在内，并且该信息的分组可以包括(i)最初传输数据的地下通信节点的标识符，以及(ii)指示应变计所取得的应力读数的声波波形。在一些实施例中，来自多个井下传感器的应力读数可以被传输到地面。多个应力读数可以被求平均以确定井筒的一部分(诸如被穿孔和/或被增产的层段)和/或套管的特定区段的平均应变。然后可以将平均应力与来自未打孔和/或未增产的其它层段和/或套管其它部分的应力读数进行比较。在一些实施例中，应力读数可以被集成到地下地图或地下模型中，以帮助分析裂缝形成和/或烃随时间流过地层，诸如在增产操作之前、期间和/或之后。来自应变计的数据也可以与来自其它类型传感器的数据集成。

在一些实施例中，麦克风可以被放置在所选择的地下通信节点之内或与之相关联。由麦克风搜集的无源声学数据可以被用于检测正在流动的井筒流体，尤其是气体。当气体流过小的间隙时，它将在宽的频率范围内产生环境噪声，这些噪声可以由节点中的无源声学传感器检测。因此，来自麦克风的数据可以作为发送到地面处的接收器进行分析的信息的分组的一部分包括在内，于是该信息的分组可以包括(i)最初传输数据的地下通信节点的标识符，以及(ii)指示由麦克风搜集的声学数据的声学波形。在一些实施例中，来自多个井下麦克风的读数可以被传输到地面。可以对由多个麦克风读数测得的声频的强度和变化求平均以确定井筒的一部分(诸如被穿孔和/或被增产的层段)和/或套管的特定区段的平均麦克风读数。然后可以将平均麦克风读数与未穿孔和/或未增产的其它层段和/或套管其它部分的麦克风读数进行比较。在一些实施例中，麦克风读数可以被集成到地下地图或地下模型中，以帮助分析裂缝形成和/或烃随时间流过地层，例如在增产操作之前、期间和/或之后。来自麦克风传感器的数据也可以与来自其它类型的传感器的数据集成。

在一些实施例中，(一个或多个)井下传感器可以包括地震检波器。例如，至少三个通信节点可以各自与地震检波器相关联。地震检波器“监听”在地层增产操作(例如，压裂操作)期间产生的弹性波。这些波被转换成声波信号，然后由相关联的通信节点中的收发器发送到地面。因此，所传输的信号可以表示信息的分组，该信息的分组包括(i)最初传输数据的地下通信节点的标识符，以及(ii)指示在压裂操作期间由岩石在地下地层内移动造成的弹性波的声波。

与任何地震分析过程一样，该处理要求事先为地下地层内的岩石基质获得某些参数。这包括对岩石类型和密度的了解，以便可以确定P波(压力)速度和/或S波(剪切)速度。该确定一般基于从测井仪、岩心样本或先前测得的地震数据中获得的现有数据。

当相关联的传感器包括地震检波器时，多个传感器将检测地下地层内的弹性波。在非常小的时间帧内(诸如250微秒)将检测波的集合。然后假设集合中的那些波指示相同的微地震事件。应用一种算法，该算法将听到每个事件的时间与弹性波的已知速度v进行比较。然后可以进行三角测量以确定所分析的弹性波的起源。

三角测量数据在地面处被累积。一方面，将二进制代码指派给三角测量结果，该代码指示方位角、方向和深度。然后对三角测量结果进行编译，以便可以创建微地震事件的地图。在地震领域中，这个步骤被称为“成像”。在地面上查看该地图，以确定跨各个区(诸如图1中的区102、104和106)的地下裂缝的程度。

如可以看出的，传感器可以搜集各种数据，包括温度测量、应变测量、声学噪声数据、地震检波器数据等。所有这些数据都可以集成在一起，并在评估增产操作时一起考虑。在一些实施例中，评估可以包括将来自在方框506处获得的第二数据信号的振幅值与基线值(诸如在方框502处获得的第一数据信号)进行比较。可替代地，评估可以包括将振幅值与作为预期值的基线进行比较，其中该预期值是根据过去的经验确定的，或者是根据随时间获得的增产数据的数据库而获得的。

在方框510中，这些比较可以被用于确定关于增产操作的各种细节。例如，如果数据指示在增产操作之后烃流体流量没有增加，那么可以判定对于井筒的那个层段需要进一步增产。可替代地，如果数据指示在增产操作之后烃类流体流量增加，那么可以判定在那个层段内不需要进一步增产。然后，在方框512处，所有这些信息都可以用于优化井筒的增产策略。

在方框514处，然后可以从井筒生产烃流体。

本文所述的方法和技术在分阶段增产操作中可以是特别有用的。在分阶段操作中，井筒可以具有被识别用于增产操作的多个单独的目标区。这样的目标区域可以表示地下地层的总垂直厚度大约60米(200英尺)。当存在多个或分层的储层要进行水力压裂或者存在非常厚的含烃地层(大约40米以上)时，常常需要更复杂的增产技术才能对整个目标地层进行处理。在这方面，操作人员通常隔离各个区以确保每个单独的区不仅被穿孔，而且被适当地压裂和处理。以这种方式，操作人员确保压裂流体和/或增产剂通过每个穿孔集合被注入并进入每个关注区，以有效地增加在每个期望深度处的流量容量。可以利用本发明的方法和技术来高效地监视每个关注区并识别操作人员何时应当继续前进到下一个关注区。

为了隔离所选择的关注区，可以采用各种转移技术，其中“转移”是指使注入的流体从进入一个穿孔集合转向，使得流体主要仅进入一个所选择的关注区。各种已知的转移技术包括使用：机械设备，诸如桥塞；封隔器；井下阀门；滑套；以及挡板/塞子组合；球封口机；诸如沙子、陶瓷材料、支撑剂、盐、蜡、树脂或其它化合物之类的颗粒；化学系统，诸如增粘流体、胶凝流体、泡沫或其它化学配制的流体；以及受限进入方法。在美国专利No.6,394,184中进一步描述了用于临时阻止流体流入或流出给定的穿孔集合的这些和其它方法，该专利的公开内容通过引用并入本文。

本文中的方法可以包括将第一射孔枪组件部署到井筒中。第一射孔枪组件可以被配置为沿着井筒检测第一选择关注区。因此，当第一射孔枪组件被泵送或以其它方式落下井筒时，它将监视其深度或以其它方式确定何时到达第一选择关注区。在一些实施例中，它可以检测何时到达第一选择关注区。例如，射孔枪组件可以通过匹配井筒内特定通信节点的声学特征来检测第一选择关注区。

该方法还可以包括沿着第一关注区射击。射击产生穿孔。弹丸穿透周围的生产套管柱并延伸到地下地层中。

该方法还可以包括提供第二射孔枪组件。第二射孔枪组件可以被配置为沿着井筒检测第二选择关注区。因此，当第二射孔枪组件被泵送或以其它方式落下井筒时，它将监视其深度或以其它方式确定何时到达第二选择关注区。例如，第二射孔枪组件可以通过匹配所选择的关注区中的井筒内的特定通信节点的声学特征来确定其何时处于第二所选择的关注区。第二射孔枪组件沿着第二关注区射击，从而在第二关注区中产生穿孔。

该方法还可以包括在高压下注入液压流体以使地层破裂。通过沿着第一选择关注区引导流体穿过穿孔、沿着第二关注区引导流体穿过穿孔或两者，可以使地层破裂。

当多个关注区被穿孔并破裂时，可以期望使用如上所述的转向剂。例如，可以使用压裂塞组件和/或球密封剂。因此，可以将球密封剂泵入井下以密封穿孔。在一些实施例中，球密封剂可以在容器中被携带到井下，并经由命令(来自板载控制器或来自通信节点)释放。

对于操作人员来说，也可以期望在对每个区穿孔和压裂之后循环酸溶液。

将本方法和技术用于分阶段操作的示例可以如参考图4A和4B进一步描述的。

图4A图示了穿过地下地层的单个井筒400。如图所示，井筒沿着井筒的水平侧面随着距离的增加从左向右移动。井筒描绘中的每个方框说明了增产计划中井筒的区域或层段。如图4A中所看到的，已经在每个层段中沿着井筒进行了穿孔。已经沿着井筒的长度收集了传感器数据，以提供增产操作之后流体流量的指示。来自层段401和402的传感器数据指示这些区段流量适中，而来自层段403的传感器数据指示这个区段流量低。来自其它层段的传感器数据指示它们具有可接受的流入水平。通过查看传感器数据，操作人员可以确定区401、402和/或403可以需要被重新压裂以增加通过这些区的流量、可以需要使用不同类型的增产流体才能更好地瞄准这些区、在这些区中需要更多的支撑剂，并且以这种方式，操作人员可以通过优化井筒的每个区中的增产来优化井筒400的增产操作。

图4B图示了与图4A相同的井筒400，以及在相同的地下地层中邻近井筒400钻出的新井筒410。与图4A一样，在图4B中，井筒沿着井筒的水平侧面随着距离的增加从左到右穿行。井筒描绘中的每个方框说明了增产计划中井筒的区域或层段。在制定井筒410的增产计划时，操作人员使用来自井筒400的数据来优化增产计划。例如，在井筒410中的横向对应于区段401和402的区段处，操作人员计划使用不同的增产技术来增加来自这些区段的流量。例如，操作人员可以使用不同的(例如，更高的)压力和/或更多的支撑剂，以便增加来自井筒410的流量。为了进一步优化井筒410的增产计划，操作人员还可以选择在井筒410的与井筒400的区段403横向对应的区段处不执行任何增产操作。由于区段403在井筒400中的流量非常低，因此操作人员能够确定增产井筒410中的对应区段不太可能提供任何可生产的流量，照此，通过不增产井筒410中的对应区段，操作人员可以在时间和资源上更高效。

本文所述的方法和系统可以被用于基于在增产操作期间井下收集的感测数据来提供实时信息，并允许操作人员实时评估增产操作，以便根据需要调整和优化增产操作。例如，该方法和技术可以用于在增产操作之前、期间和之后从与一个或多个井下通信节点相关联的传感器收集实时压力数据、温度数据、流率数据、密度数据、伽马射线数据、振动数据、应变数据和/或声学数据。然后，收集的数据经由通信节点无线地传输到地面进行分析，从而操作人员可以使用它对正在进行的增产操作进行操作改变和/或修改或优化同一储层中其它井筒的增产计划。

因此，在优选实施例中，本文描述的方法可以被用于监视增产操作以优化增产操作中原材料的使用。例如，来自增产阶段的数据反馈(例如，压力、温度、振动、pH、孔隙率、渗透性等)可以被用于指导引入下一个增产阶段的处理流体(例如，酸溶液和/或水力压裂流体)的类型和量。传感器数据还可以被用于优化引入井筒的处理流体的压力和/或体积，以确保均匀的流入或注入速率。此外，传感器数据可以被用于监视流体流量模式和支撑剂流量模式，以提供关于对附加转移技术(诸如球密封剂等)的需求的实时数据。

本文所述的方法还可以被用于通过向操作人员提供指示不需要进一步增产操作的实时数据来修改增产计划。例如，在井筒包括多个阶段的情况下，通过在各个阶段的增产操作之前和之后监视传感器数据，可以确定与当前正在被增产的阶段相邻或连接到当前正在被增产的阶段的阶段也被有效地增产。即，虽然阶段X已经穿孔并已将处理流体引入那个阶段，但是阶段X的增产处理之后阶段Y也已经历了流体流量的增加。照此，操作人员可以确定阶段Y不需要用一种或多种处理流体穿孔和/或处理。照此，可以通过跳过阶段Y中的任何增产操作来优化增产计划。

本文所述的方法还可以被用于确定压裂阶段是否在生产区中。例如，在压裂阶段N之后，可以通过测量流体密度、介电常数、电导率和压差来监视地下地层。使用收集的数据，可以确定压裂阶段N是否在生产区中。如果确定在生产区内，那么可以计划对那个阶段或相邻阶段进行更多的增产操作，以改善生产回收率。

本文所述的方法还可以被用于为储层区域中的井的分组创建优化的增产计划。例如，该方法和技术可以被用于通过利用来自地层中的一个或多个井筒的信息以创建、修改或优化用于在地层中钻探另外的井的计划、井间距和/或钻探深度来创建或修改地层的烃生产计划。例如，可以通过减少区域中的井数来优化计划，或者仅基于从收集的数据生成的较大的储层地层地图来仅钻探该区域的某些部分。因此，一起使用钻井数据和收集的数据，可以以2D或3D形式生成储层区域的储层地层地图。这个地图可以被用于确定该区域内的井间距和钻井深度，并且可以被用于将井引导至储层区域内的“最佳位置”，以优化井的生产率。

因此，如本文所述，本发明可以被用于监视和优化储层中的增产操作。该方法和系统可以有利地提供在增产操作之前、期间和之后的井下状况的实时信息。然后，这个信息可以被井操作人员用于修改、调整和/或优化增产操作，以改进来自地下的烃产量。此外，由于本文所述的方法和系统利用井下无线通信节点将数据传输到地面，因此无需中断增产操作以降低用于收集和/或传输数据的有线线路工具。

应当理解的是，前述仅仅是本发明具体实施例的详细描述，并且在不脱离本发明的范围的前提下，可以根据这里的公开内容对所公开的实施例进行多种改变、修改和替代。因此，前面的描述并不意味着限制本发明的范围。更确切地说，本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物来确定。还可以预期的是，在本示例中实施的结构和特征可以彼此更改、重新布置、替换、删除、重复、组合或添加。照此，对于本领域技术人员显而易见的是，对本文所述实施例的许多修改和变化是可能的。如所附权利要求所定义的，所有这样的修改和变化都意图落入本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种用于监视和评估增产操作的方法，包括：

从井下传感器获得指示地下状况的第一数据信号；

进行增产操作的第一阶段；

从井下传感器获得第二数据信号，所述第二数据信号指示在增产操作的第一阶段之后的地下状况；

通过井下无线网络将数据信号从地下传输到地面，其中井下无线网络包括连接到井筒中的管的一系列通信节点，并且其中相邻的通信节点被配置为通过经由管传输的声学信号进行通信；

分析数据信号以评估增产操作的第一阶段；

基于评估结果修改、调整或优化增产操作；以及

生产烃。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个通信节点包括

密封的壳体；

驻留在壳体内的电声换能器和相关联的收发器，被配置为中继信号，每个信号表示信息的分组，所述信息的分组包括(i)最初传输该信号的地下通信节点的标识符，以及(ii)代表由井下传感器取得的读数的信号；以及

驻留在壳体内的独立电源，用于为收发器提供电力。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中井下无线网络包括至少一个驻留在地面附近的顶侧通信节点，以及在顶侧通信节点下方沿着井筒的一系列地下通信节点；以及

其中至少一个顶侧通信节点将信号从最上层的地下通信节点传输到地面处的接收器。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中井下传感器包括以下一项或多项：流体速度测量设备、温度传感器、压力传感器、流体密度传感器、麦克风、超声传感器、多普勒移位传感器、化学传感器、成像传感器、阻抗传感器、衰减传感器和流体电阻率传感器。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中第一数据信号包括以下一项或多项：压力数据、温度数据、流率数据、密度数据、振动数据、应变数据和声学数据。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中第二数据信号包括以下一项或多项：压力数据、温度数据、流率数据、密度数据、振动数据、应变数据和声学数据。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中增产操作的第一阶段包括以下一项或多项：对井筒横穿的地下地层的至少一个层段进行穿孔；将处理流体泵送、引入和/或注入到井筒的至少一个层段中；以及在井筒中展开或激活物品或物质以阻止进一步的流体流入井筒的层段。

8.如权利要求7所述的方法，其中处理流体包括酸溶液或水力压裂流体。

9.如权利要求7所述的方法，其中展开或激活的物品或物质是球密封剂。

10.如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中修改、调整或优化增产操作包括以下一项或多项：(i)增加或减少被引入地下地层中的处理流体的量；(ii)改变被引入地下地层的处理流体的类型；(iii)增加或减小将处理流体引入地下地层的压力。

11.如权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中地下通信节点被间隔开，使得管道的每个接头支撑至少一个地下通信节点。

12.如权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中地下通信节点以大约20英尺至大约40英尺的间隔被间隔开。

13.如权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中每个通信节点被设计为接收第一频率的声波，然后将第二频率的声波沿着井筒向上传输到下一个通信节点。

14.如权利要求1-13中的任一项所述的方法，其中井下传感器驻留在至少一个地下通信节点的壳体内。

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