NO317676B1 - Fremgangsmate for analyse av en grunnformasjon ved maling av akustisk emisjon i en bronn - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for analyse av en grunnformasjon ved måling av akustisk emisjon i en brønn som inneholder et fluid. Utformingen av et borehull krever generelt kjennskap til fjellegenskapene, f.eks. formasjonsstyrke, dvs. det maksimale trykk den utborede formasjon kan motstå uten svikt. Flere fremgangsmåter har blitt brukt for å beregne formasjonsstyrken under borefasen for en brønn, som innebærer trinnvis eller kontinuerlig trykksetting av en kort seksjon av hullet direkte nedenfor den nederste foringsrørsko. Trykknivået varierer mellom prøvene, men er normalt ment å befinne seg under nedbrytningstrykket for formasjonen, da brudd i formasjonen kan være avgjørende for boreprosessen. Beregninger av formasjonsstyrken kan utføres ved å utføre en lekkasjeprøve som innebærer økningen av brønntrykket opp til lekkasjetrykket som påvises som trykket hvor en plotting av brønnhodetrykket mot den innsprøytede væske i brønnen blir ikke-lineær. Der hvor ikke-lineariteten begynner tas som en indikasjon på at det er oppstått kritisk mekaniske fenomen, så som utvikling av mikrosprekker i formasjonen eller betydelig deformering av brønnen som indikerer forestående formasjonssvikt. Den maksimalt tillatte trykkgradient for borefluidet bestemmes deretter fra lekkasjetrykket. Imidlertid kan ikke-lineariteten i fluidtrykket like mye være forårsaket av fluidrelaterte fenomen, f.eks. fluidtap i formasjonen eller fluid som strømmer rundt en dårlig sementert foringsrørsko. Videre er lekkasjeprøven meget avhengig av hvordan prøven utføres, og nøyaktigheten vil ikke være tilstrekkelig for brønner som bores i formasjoner med en liten margin mellom boretrykk og formasjonsnedbrytningstrykk, især i formasjoner som har et høyt trykk.

Nagano med flere, "Automatic algorithm for triaxial hodogram source location in downhole acoustic emission measurement", Geophysics Liv (4), 1989, side 508-513, beskriver bruk av akustisk påvisning i geotekniske områder for å overvåke utstrekning av sprekker under overflaten.

EP-A-0 505 276 og US-A-5, 372, 038 beskriver en fremgangsmåte for å måle mikroseismiske mengder etter innsprøyting av et fluid i en brønn.

US-A-4, 744, 245 beskriver en fremgangsmåte for å bestemme retningen av en hydraulisk indusert sprekkdannelse, hvor fjellet oppvarmes og den akustiske emisjon fra det oppvarmede fjell bestemmes.

Det er et formål med oppfinnelsen å overvinne ulempene med de kjente fremgangsmåter og tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for bestemmelse av en mekanisk egenskap av en fjellformasjon som omslutter et borehull som inneholder et fluid.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for bestemmelse av egenskapene for et materiale valgt fra en fjellformasjon og sement, hvor materialet omslutter et borehull som inneholder et fluid, idet fremgangsmåten omfatter: - anbringelse av akustisk føler på et valgt sted i borehullet, som tilveiebringer signaler som representerer akustisk emisjon fra materialet, - tilføring av et bestemt trykk til fluidet for derved å indusere mekaniske spenninger i materialet, idet spenningene induserer akustisk emisjon fra materialet, - aktivisering av føleren for å påvise den akustiske emisjon og tilveiebringelse av et signal som representerer den akustiske emisjon, og - bestemmelse av egenskapene fra signalet og trykket tilført fluidet, hvor det valgte trykket tilføres fluidet i løpet av lekkasjeprøven, hvorved fluid pumpes inn i borehullet og trykktiden i borehullet overvåkes under og etter pumping, og hvor det valgte trykket danner lekkasjetrykket definert som trykket hvor en plotting av brønnhodetrykket mot det innsprøytede fluidvolum blir ikke-lineært, kjennetegnet ved at den akustiske føler er anbrakt i en åpen, nedre del av borehullet for å bestemme egenskapene for materialet som omslutter den nedre del av borehullet.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen danner nevnte trekk en mekanisk egenskap som brukes for å bedømme om materialet er sprukket eller ikke.

Denne egenskap danner minst en av gruppen av parametre som omfatter fjellstyrke, fjelltype, fjellporøsitet, i dannelsen av lekkasjetrykk, nedbrytningstrykk for formasjonen, fjellbelastningen på stedet og forskjellen mellom sement og fjell.

Akustiske energitap minimeres ved å anbringe den akustiske føler i eller nær en åpen nedre del av borehullet for å bestemme den mekaniske egenskap av fjellformasjonen som omslutter den nevnte åpne nedre del av borehullet.

Oppfinnelsens fremgangsmåte blir passende anvendt under boring av brønnen, og hvor den øvre del av borehullet er forsynt med det foringsrør.

For å bestemme den maksimalt tillatte fluidtrykkstigning under boring av brønnen, tilføres det valgte trykkfluidet i løpet av en lekkasjeprøve hvorved fluidet pumpes inn i brønnen og trykket i brønnen overvåkes under og etter pumping. Fluidet kan pumpes inn i brønnen f.eks. i trinn eller kontinuerlig.

Videre kan det valgte trykk tilføres under en enkelt lastsyklus eller under syklisk belastning av borehullet.

Trinnet for bestemmelse av egenskapene fra signalet omfatter fortrinnsvis bestemmelse av egenskapene fra minst en av signalets amplituder, signalets energi, signalets varighet, antall ganger signalet overskrider en valgt terskel, og amplitudefordelingen av signalet (f.eks. B-verdi).

Laboratoireanalyser av måleresultatene utføres passende ved å lagre det valgte signal og en registrering av fluidtrykket som funksjon av tid, og bestemmelse av fjellets mekaniske egenskaper ut fra en sammenlikning mellom det lagrede signal og fluidtrykket som funksjon av tid.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj i det følgende eksempel og under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser skjematisk et eksempel på en akustisk emisjons-registrering målt ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et eksempel på et diagram for et borehullstrykk og kumulative akustiske slag som funksjon av tid, og fig. 3 viser et eksempel på et diamgram for et borehullstrykk og en akustisk slaghastighet som funksjon av tid.

Eksempel:

En feltprøve ble utført i en åpen brønn på en dybde av 2.325 m nedenfor et foringsrør på 0,34 m installert i brønnen. Utstyret som inneholdt den akustiske føler ble rommet i en 10 m vertikal seksjon boret under foringsrørskoen på 0,34 m. Prøveutstyret omfattet et sonisk loggeverktøy i brønnen på 0,034 m, som var litt modifisert for å sette transmitteren og en av de to hydrofonene ut av funksjon, slik at verktøyet kunne drives i kontinuerlig lyttestilling, to trykkmålere anbrakt i borehullet, og et LOCAN 320, akustisk emisjonssystem plassert på overflaten og som sto i forbindelse med det soniske loggeverktøy via en ledning (LOCAN er et varemerke). LOCAN 320-systemet ble finjustert på brønn-stedet og med det soniske loggeverktøy i borehullet, og med den akustiske terskel innstilt over bakgrunnsstøyen målt av LOCAN 320 og den interne styrke innstilt ifølge produsentens anbefalinger. Under prøven ble følgende innstillinger funnet tilfredsstillende:

- for forsterkningsstyrke nede i brønnen: 10 000 (80 dB)

- LOCAN 320 intern forsterkning: 10 (20dB)

- terskelinnstilling for bakgrunnsstøy: 49 dB (30 mV).

Selv om innstillingene er avhengig av de lokale forhold, f.eks. formasjons-egenskaper og dybde, bør den interne forsterkning for optimal bruk av LOCAN 320, generelt være under 45 dB, og summen av den interne styrke og grenseverdi bør være mellom 60-70 dB.

Prøveprogrammet omfattet tre hovedfaser:

1) en konvensjonel lekkasjeprøve hvor mengder av borefluid på 0,016 m<3> ble sprøytet i trinn inn i brønnen med en hastighet på 0,04 rftVmin, idet hvert trinn ble etterfulgt av overvåkning av fluidtrykket i 2 min. Fra trykkregistreringen ble lekkasjetrykket bestemt. 2) Fluidtrykket ble øket ytterligere ved fortsatt trinnvis innsprøyting av fluid inn i brønnen inntil det oppstod svikt i fjellformasjonen. Fluidtrykket ved svikt kalles nedbrytningstrykket. 3) Deretter ble en rekke fluidinnsprøytings/innelukkings-sykluser utført for å bestemme minimum stedsbelastning. Disse syklusene hadde som formål å utbre de frembrakte sprekkene vekk fra borehullet og ved måling av fluidtrykket ved åpning og stengning av sprekkene. Sprekkutspredelsessyklusene ble utført ved en innsprøytings-hastighet på 0,16 m /min. Denne hastighet ble holdt så konstant som mulig slik at sprekkgjenåpningen kunne bestemmes. Innsprøytingen ble fortsatt inntil en relativt stabil bruddutbredelse ble observert. Hvert innsprøytingstrinn ble etterfulgt av en innluknings-periode og trykkfallet ble observert.

På fig. 1 er det vist et eksempel på et akustisk emisjonsslag ifølge oppfinnelsen. LOCAN 320-systemet identifiserer hvert akustiske emisjonsslag og bestemmer de etterføl-gende egenskaper. (i) Forekomsttid T, som er tiden som det første signalet fra en akustisk slagemisjon krysser en signalterskel Tr. (ii) Tellinger som er antall stigende signalterskelkryssinger i hvert akustiske emisjonsslag.

(iii) Amplitude A som er maksimalkryssing under et akustisk emisjonsslag.

(iv) Energi, som er det målte området under den likerettede signalgruppe innenfor tidsrammen fra den første kryssing av terskelen. Den målte verdi er direkte proporsjonal med systemforsterkningen.

(v) Varighet D, som er tiden mellom første og siste kryssing av terskelen.

(vi) Stigningstid R, som er tiden fra første kryssing av terskelen til den maksimale kryssing. (vii) Tellinger til maksimum, som er antall kryssinger av terskelen fra første kryssing til maksimal kryssing.

Fra disse egenskaper kunne flere parametre bestemmes, idet de viktigste var de kumulative slag som funksjon og tid og slaghastighet. Diagrammer av disse parametrene er vist på fig. 2 og 3, hvor linje A på fig. 2 og 3 indikerer trykkvariasjon, line B på fig. 2 indikerer de kumulative akustiske emisjonsslag, og linje C på fig. 3 indikerer den akustiske emisjonsslaghastighet. Linjen for kumulativ slagvariasjon antyder en ganske konstant akustisk emisjonsslaghastighet gjennom prøvene. Imidlertid indikerer iinje C på fig. 3 at det finnes noen områder med øket akustisk slaghastighet.

Det første området som oppstår ved omtrent 2 000 s, tilsvarer en meget liten økning i trykkfallet under innlukningen (0,34-0,48 bar sammenliknet med 0-0,2 bar i de foregående økningstrinn) selv om dette området ikke kan knyttes til vesentlige fenomener, da trykknivået fremdeles er relativt lavt. Det andre området med øket akustisk slaghastighet oppstod ved omtrent 4 000 s. Dette området sammenfalt med et øket trykkfall under innlukningen ved omtrent 0,48-0,62 bar. Analyser av trykkregistreringen indikerte at det andre området med øket akustisk slaghastighet tilsvarte det sted hvor det begynte å bli skade på fjellformasjonen like før lekkasjetrykket ble nådd. Således gir dette andre området for øket akustisk slaghastighet en tidlig indikasjon på punktet for fluidlekkasje.

Et tredje område med øket akustisk slaghastighet oppstod ved omtrent 5 500 s. Det tredje området hadde en størrelsesorden som var høyere enn for de tidligere områder, og sammenfalt nøyaktig med nedbrytning av formasjonen. Således gir det tredje området en nøyaktig indikasjon på nedbrytningen av formasjonen.

Etter formasjonsnedbrytningen ble formasjonsbruddene utbredt videre. I dette trinn holdt nivået for den akustiske emisjonsaktivitet seg på et relativt lavt nivå, noe som skyldtes dempevirkninger pga. selektiv absorbering av høye frekvenser etter hvert som avstanden mellom den akustiske kilde (dvs. bruddfronten) og føleren økte.

Områder med intense akustiske emisjoner er indikert på fig. 3 med tallene 1,2 og 3.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av egenskapene for et materiale valgt fra fjellformasjon og sement, hvor materialet omslutter et borehull som inneholder et fluid, idet fremgangsmåten omfatter: - anbringelse av en akustisk føler på et valgt sted i borehullet, som tilveiebringer signaler som representerer akustisk emisjon fra materialet, - tilføring av et bestemt trykk til fluidet for derved å indusere mekaniske spenninger i materialet, idet spenningene induserer akustisk emisjon fra materialet, - aktivisering av føleren for å påvise akustisk emisjon og tilveiebringelse et signal som representerer den akustiske emisjon, og - bestemmelse av egenskapene fra signalet og fra trykket tilført fluidet, hvor det valgte trykket tilføres fluidet i løpet av lekkasjeprøven, hvorved fluid pumpes inn i borehullet og trykktiden i borehullet overvåkes under og etter pumping, og hvor det valgte trykket danner lekkasjetrykket definert som trykket hvor en plotting av brønnhodetrykket mot det innsprøytede fluidvolum blir ikke-lineært, karakterisert ved at den akustiske føler er anbrakt i en åpen, nedre del av borehullet for å bestemme egenskapene for materialet som omslutter den nedre del av borehullet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte egenskaper danner mekaniske egenskaper som brukes til å bedømme om materialet er sprukket eller ikke.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at egenskapene danner minst en av gruppen av parametere som omfatter fjellstyrke, fjelltype, fjellporøsitet, dannelsen av lekkasjetrykk, nedbrytningstrykk for formasjonen og fjellbelastning på stedet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjenværende øvre del av hullet er forsynt med et foringsrør under boring av borehullet.

5. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-4, karakterisert ved at trinnet for å bestemme egenskapene fra signalet omfatter bestemmelse av egenskapene fra minst en av signalets amplituder, signalenergien, signalvarigheten og antall ganger signalet overskrider en valgt terskelverdi.

6. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-5, karakterisert ved at trinnet med å oppbevare et valgt signal og en logg over flyttrykket som funksjon av tid, hvor egenskapene bestemmes fra en sammenlikning mellom det oppbevarte signal og fluidtrykket som funksjon av tid.