NO342763B1 - Sanntids kompletteringsovervåkning med akustiske bølger - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte for å overvåke fluidstrøm gjennom en innretning nede i brønnen, omfattende a) å tilveiebringe en akustisk rørbølge i fluid i innretningen, b) å måle den akustiske rørbølge etter at den har passert gjennom fluidet i innretningen og c) å bedømme permeabiliteten av innretningen ved å måle dempningen av det akustiske signal. Endringer i det akustiske signals hastighet kan også måles. Innretningen kan være en permeabel innretning nede i brønnen, slik som et sandfilter, idet målingene i trinn b) blir foretatt ved å bruke flere følere utplassert i hullet. Fremgangsmåten kan videre omfatte trinnet med krysskorrelering av et signal mottatt ved en første mottaker med signaler mottatt ved andre følere for å oppnå en effektiv respons som om signalet hadde blitt sendt fra en kilde ved den første mottakers posisjon.

Description

Oppfinnelsen angår generelt overvåkning av en undergrunnsbrønn og spesifikt fremgangsmåte og systemer for sanntids akustisk overvåkning av kompletterte brønner og de omsluttende undergrunnsområder.

Kompletteringer er sentralt ved dyptvannsproduksjon og utgjør en stor del av den totale brønnkostnad. Store tverrfaglige anstrengelser blir investert ved deres utforminger. Dette står imidlertid i stor motsetning til produksjonstrinnet hvor det fins liten informasjon tilgjengelig for å påvise problemer, optimere innstrømning og hindre kostbar overhaling. Sandfilterplugging, ufullstendig pakking, utvikling av følsomme punkter i filtre, destabilisering av den ringformede pakning, migrasjon av fine partikler, skade nær brønnhullet, krysstrømning, differensial utarming, rom mentalisering, kompaktering, representerer en typisk liste og utfordringer som er ytterst vanskelige å fortolke basert på bare noen få permanente trykk- og temperaturmålinger. Mange problemer kan identifiseres ved produksjonslogging, men er kostbare og ikke i sanntid. Permanente trykk- og temperaturfølere plassert over sandflaten kan tilveiebringe kritisk informasjon for diagnostisering av kompletteringsproblemer og tjenesteindustrien utvikler verktøyer for å gjøre en slik avføling aktuell i fremtiden. Imidlertid vil disse nye trykk- og temperaturdata sannsynligvis ikke føre til en nøyaktig identifikasjon av problemene ovenfor på grunn av at mange parametere som karakteriserer komplekse kompletteringer og reservoarer ikke blir omfattet av våre data.

For eksempel er det et problem med produksjonsbrønner i Mexico Golfen som ikke yter full kapasitet. "Brønnytelse" omfatter storskala reservoarer, slik som romdannelse samt endringer i den lokale brønnhud som oppstår etter hvert og som ytterligere fører til kompletterings- og ytelses- og nærliggende brønnhullseffekter. Følgelig kan det være flere forklaringer på problemet. Åpenbar romdannelse og U-formede grenser kan være et svar i en reservoarskala. Likevel blir disse grensene sjeldent bekreftet av 4D seismiske eller andre data. Skifertilsløring er et alternativt reservoarskalascenario som kan føre til dårlig kapasitet i en brønn. En annen brønnhullsskala-forklaring antyder at en brønnproduktivitet avtar med tiden på grunn av tap av såkalt "kh"-produkt hvor k og h er reservoarpermeabilitet og tykkelse. Differensial utarmingsmodellen som antyder at dette tapet oppstår hovedsakelig på grunn av reduksjon i den produserende tykkelse selv om de nøyaktige mekanismer for strømningssvekkelse fremdeles diskuteres. Likeledes er reduksjon i permeabilitet en annen alternativ forklaring selv om størrelsen av denne reduksjon (ved 85-90 %) ikke er i samsvar med laboratoriemålinger. Eksisterende, sparsomme data fra brønner kan støtte enkelte av disse scenarier og bekrefte at problemet er undervurdert. For å skille mellom disse helt forskjellige scenarier, er det et behov for flere data nede i brønnen i forskjellige skaleringer som utvetydig kan karakterisere forskjellige komponenter i produksj ons systemet.

I forbindelse med dyptvannskompletteringer er det i tillegg lagt vekt på sandkontroll siden det er antatt at håndtering av produsert sand generelt er en kostbar og for meste ubehandlingsbar løsning i Mexico Golfen selv om den kan virke godt på andre steder hvor det fins noe korn-mot-korn sementering. Nærværet av sandkontroll media mellom reservoaret og brønnhullet medfører ekstra kostnader, kompleksitet og bedre styring. Målet er en løsning som er tilstrekkelig robust for å kunne regulere eller kontrollere sandproduksjonen for reservoarets levetid og unngå svekkelse og behov for ekstra tiltak. For å kunne oppnå et sandkontrollsystem som er mindre utsatt for problemer, må den grunnleggende årsak til eksisterende problemer først klarlegges. Etter at problemene blir fullstendig forstått, kan det bli mulig med tiltak eller utbedring etter behov. De høye kostnader i forbindelse med dyptvannsbrønnanordninger (for eksempel sandfiltre) og tiltak kan rettferdiggjøre nærværet av smarte overvåkningsverktøy som ikke er økonomiske i andre miljøer. I tillegg bør overvåkningsverktøyet fortrinnsvis ha samme levetid som selve reservoaret.

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for å overvåke permeable innretninger nede i brønnen, slik som sandfiltre. I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte, som angitt i krav 1, for å overvåke fluidstrøm gjennom en innretning nede i brønnen i et borehull, omfattende: a) å tilveiebringe en akustisk rørbølge i fluid i innretningen, b) å måle den akustiske rørbølge etter at den har passert gjennom fluidet i innretningen, hvor målingene foretas ved å bruke flere følere utplassert i borehullet, og c) å krysskorrelere et signal mottatt ved en første mottaker med signaler mottatt ved andre følere for å oppnå en effektiv respons som om signalet har blitt sendt fra en kilde ved posisjonen av den første mottaker, d) å bedømme permeabiliteten av innretningen ved å måle dempningen av det akustiske signal. Endringer i det akustiske signals hastighet kan også måles.

Innretningen kan være en permeabel innretning nede i brønnen og trinn d) kan videre omfatte å bestemme at innretningen minst delvis er plugget ved å påvise enten en reduksjon i dempningen eller en reduksjon i hastighetstapet i rørbølgen etter hvert som den passerer gjennom innretningen.

Innretningen kan være et sandfilter og målingene i trinn b) kan foretas ved å bruke flere følere utplassert i hullet og følerne kan være fiberoptiske følere. Fremgangsmåten kan videre omfatte et trinn med krysskorrelering av et signal mottatt ved en første mottaker med signaler mottatt ved andre følere for å kunne oppnå en effektiv respons som om signalet ble sendt fra en kilde nær posisjonen av den første mottaker.

Trinn d) kan videre omfatte å bestemme at innretningen ikke er plugget, ved å påvise at en hurtig rørbølge som passerer gjennom innretningen, blir hindret ved lavere frekvenser, men akselererer ved høye frekvenser, og bestemmer at innretningen ikke blir plugget ved å måle en hurtig bølge og kunne påvise en relativt sterk dempning av den hurtige bølge i et frekvensområde på 350-700 Hz, eller bestemme at innretningen ikke blir plugget ved å påvise en langsom rørbølge som har blitt omdannet til en kompleks pakke med redusert amplitude og hastighet. Fremgangsmåten kan videre omfatte trinnet med å bestemme den relative permeabilitet av innretningen ved å påvise et frekvensbånd med en relativ høy grad av dempning og sammenligne frekvensen av båndet med et frekvensbånd som har en relativt høy grad av dempning, i en annen måling.

I andre utførelser tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for å produsere hydrokarboner fra en hydrokarbonbærende formasjon som omfatter å produsere hydrokarboner gjennom en permeabel innretning nede i brønnen og overvåke strømmen gjennom innretningen ved å bruke de beskrevne fremgangsmåter. Oppfinnelsen omfatter et system for sanntids overvåkning av kompletteringer ved å tilveiebringe mulighet for å bedømme endringer i permeabiliteten som oppstår i sandfilteret og pukkpakningsinnretninger samt individuelle perforeringer som bruker akustiske bølger. Denne er komplementær med andre brønnovervåkningsfremgangsmåter, for eksempel slike som beskrevet i US Patentskrift 6 854 327 som tillater overvåkning av strukturintegritet (statiske deformasjoner) av sandfiltre og således forståelse av kompaktering og andre belastningsrelaterte forhold.

Nærværende akustiske overvåkningsfremgangsmåte kan tjene som en permanent installert overvåkning av sandflatens kvalitet. De akustiske overvåkningsfremgangsmåter utfører en konstant både aktiv kontroll av sandfilteret og dets miljø og passiv overvåkning av reservoaret. Tidlig påvisning og riktig diagnostikk følger som et naturlig resultat av den permanente overvåkning, slik at riktig behandling (overhaling) kan utføres før problemene blir for store. Permanent overvåkning kan også tjene som en tilleggsforsikring for å sikre seg mot kostbar komplettering og sandstyreinnretninger samt selve borehullet. I tillegg kan fremgangsmåter som beskrevet her, tilveiebringe strømmer av nye data som kan medføre en forbedret forståelse av andre sandfilter- og kompletteringsproblemer og endelig bidra til en riktig løsning av mange "brønnunderkapasitef-problemer.

Oppfinnelsen slik beskrevet er rettet mot fremgangsmåter og applikasjoner for sanntids akustisk overvåkning og kompletteringer og pukkpakninger. I samsvar med en første utførelse av oppfinnelsen, er det beskrevet en fremgangsmåte for å forbedre gjenvinningen av hydrokarboner fra en hydrokarbonbærende formasjon som bruker gjenvinningsfluid og der fremgangsmåten omfatter sanntids, akustisk overvåkning av kompletteringens stabilitet og/eller permeabilitet. Andre utførelser av oppfinnelsen omfatter fremgangsmåter for å produsere hydrokarboner fra en hydrokarbonbærende formasjon under overvåkning av stabiliteten av en sandfilterkomplettering, der fremgangsmåten omfatter sanntids, akustisk overvåkning av kompletteringer ved å bruke en akustisk modell under produksjonsprosessen.

I en annen utførelse av oppfinnelsen er det beskrevet fremgangsmåter for å opprettholde stabiliteten eller permeabilitetsendringer av et brønnhull under boring eller brønnserviceoperasjoner, eller under produksjon eller forbedrede gjenvinningsoperasjoner, eller under sandfiltrerte kompletteringer. Oppfinnelsen kan omfatte brukerfluider innført i borehullet for å forbedre de beskrevne operasjoner. Andre utførelser av oppfinnelsens fremgangsmåter kan omfatte generering av sanntids, akustisk overvåkningsmodell, å overvåke borehullet ved å bruke akustiske rørbølger for å overvåke endringer i borehullet, fortsette å oppdatere modellen og fortsette å justere på en sanntids basis, fluidegenskapene etter behov for å opprettholde eller forbedre produksjonspermeabiliteten under operasjonen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der: Figur 1 viser skjematisk effekten av permeabilitet på akustiske bølger ved å bruke en modell av et reservoar,

figur 2 viser skjematisk et snitt av en sandfilterkomplettering i et foret borehull,

figur 3 viser skjematisk et eksperimentelt strømningsoppsett for modellering av sandfilterkomplettering i en horisontal brønn.

Selv om oppfinnelsen beskrevet her, kan modifiseres og ha alternative former, har bare enkelte spesifikke utførelser blitt vist her ved hjelp av eksempel på tegningene og beskrevet i detalj nedenfor. Figurene og de detaljerte beskrivelser av disse spesifikke utførelser er ikke ment å begrense bredden eller omfanget av de nye ideer eller vedføyde krav på noen måte. Snarere er figurene og den detaljerte beskrivelse tilveiebrakt for å vise de nye ideer for en fagmann og kunne gjøre en slik person i stand til å bruke de nye ideer.

Det vil fremgå her at bruken av en enkelt term, slik som, men ikke begrenset til, "en" ikke er ment å begrense antallet slike gjenstander. Også bruken av relative termer, slik som, men ikke begrenset til "topp", "bunn", "venstre", "høyre", "øvre", "nedre", "ned", "opp", "side" og lignende er brukt i den beskrevne beskrivelse for å tydeliggjøre spesifikk henvisning til figurene og er ikke ment å begrense omfanget av oppfinnelsen eller de vedføyde krav. I tillegg indikerer i denne beskrivelse termene "opp" og "ned", "oppover" og "nedover", "oppstrøms" og "nedstrøms" og andre tilsvarende termer, de relative posisjoner over eller under et gitt punkt eller et element som blir brukt i beskrivelsen for å tydeliggjøre enkelte utførelser av oppfinnelsen. Når slike termer brukes i forbindelse med apparater og fremgangsmåter for bruk i brønner som er avvikende eller horisontale, kan slike uttrykk referere til venstre mot høyre, høyre, mot venstre og andre tilsvarende forhold. Diskusjon av individuelle elementer kan omfatte flere elementer og omvendt.

Et aspekt ved oppfinnelsen er bruk av en føler, slik som en akustisk føler, i en brønn for å overvåke en operasjon utført i brønnen eller overvåke forskjellige aspekter ved et brønnverktøy, et system eller en innretning. Andre aspekter ved oppfinnelsen omfatter ruting av styreledninger og følerplassering i en sandstyringskomplettering. Som et eksempel kan oppfinnelsen brukes i et borehull som har penetrert en undergrunnssone som omfatter en produktiv formasjon. Borehullet kan omfatte et foringsrør som har blitt sementert på plass. Foringsrøret kan ha flere perforeringer som muliggjør fluid kommunikasjon mellom innsiden av borehullet og den produktive formasjon. Som kjent kan brønnverktøy, slik som sandstyrekompletteringsinnretninger anbringes i foringsrøret nær den produktive formasjon som skal pukkpakkes.

Her refererer termen "filter" trådsiler, mekaniske siler og andre filtreringsmekanismer som typisk brukes i forbindelse med sandfiltre. Filtrene har generelt et perforert bunnrør med et filtermedium (for eksempel trådsil, dukmateriale, prepakninger, flere lag, vevet filter, sentrert filter, foliemateriale, omviklede, slissede plater, omviklet perforert plate, MESHRITE fremstilt av Schlumberger eller en kombinasjon av disse medier for å frembringe et komposittfiltermedium og lignende) anbrakt derpå for å tilveiebringe den nødvendige filtrering. Filtermediumet kan utføres på kjent måte (for eksempel laserskj æring, vannstråle skjæring og mange andre fremgangsmåter). Sandfiltre må ha åpninger som er tilstrekkelig små for å hindre pukkstrømning og har ofte åpninger i størrelsesorden 60-120-filterdukområde, men også andre størrelser kan brukes. Filterelementet kan kalles en sil, et sandfilter eller et pukkpakningsfilter. Mange av de vanlige filtertyper omfatter et avstands stykke som holder filterelementet i avstand fra et perforert bunnrør som filterelementet omslutter. Avstands stykket tilveiebringer fluidstrømningsrom mellom filterelementet og bunnrøret. Filtre av forskjellig type er kjent i faget. Merk at andre typer filtre vil bli omtalt i det følgende. Det vil også fremgå at bruk av andre typer bunnrør, for eksempel slisset rør, faller innenfor oppfinnelsens omfang. I tillegg har enkelte filtre bunnrør som ikke er perforert langsetter eller i en del derav for å tilveiebringe ruting av fluid på forskjellig måte og av andre årsaker.

Søkerne har frembrakt svært effektive fremgangsmåter og systemer for sanntids, akustisk overvåkning av sandfiltrerte kompletteringer ved å bruke akustiske bølger. Disse fremgangsmåtene og systemer kan brukes for å overvåke en rekke variabler i kompletterte borehull, herunder permeabilitet og endringer i permeabilitet over det kompletterte undergrunns området.

Figur 1 er et skjematisk riss av et åpent borehull 10 som er ført gjennom en ugjennomtrengelig formasjon 20 hvor det befinner seg et lag 30 av et porøst, permeabelt materiale fylt med fluid som er et miljø som er typisk for ledningsakustisk logging. I dette miljø er et rør eller Stoneley-bølge 12 en fundamental aksisymmetrisk modus som finnes fra null frekvens. Ved lave frekvenser representerer den en stempellignende bevegelse av fluidsøylen og dominerer bølgeutbredelsen. Under formasjon er skjærhastigheten større enn fluidhastigheten ("rask formasjon"), som i en ikke-permeabel formasjon, idet rørbølgen blir fullstendig fanget, hvilket er en modus som ikke dempes i ugjennomtrengelige formasjoner. Når rørbølgen møter et permeabelt område, slik som 30, vil den sinkes og dempes siden fluidkommunikasjon oppstår mellom formasjonen og borehullet. Denne kombinasjon fører til et energitap i form av lekkende, langsomme biot-bølger inne i formasjonen. Modellering predikerer at rør-bølgehastighet, ved lave frekvenser, vil avta og dempning øke med økt fluidmobilitet (permeabilitet/viskositet). Disse prediksjoner har blitt validert i laboratorium og blitt et grunnlag for en "direkte" og kontinuerlig teknikk for å beregne stedspermeabilitet fra ledningslogger. Nærværet av slamkake begrenser fluidkommunikasjon og gjør rør-bølgesignaturene mindre følsom for formasjonspermeabilitet. I det begrensende tilfellet med en hard slamkake, blir fluidtrykkene i borehullene og formasjonen fullstendig frigjort fra hverandre idet rørbølgene ikke opplever noen dempning og propagerer på samme måte som de ville gjøre det hvis brønnen var omsluttet av en ugjennomtrengelig formasjon.

I tillegg til permeabilitetseffekten på den omsluttende formasjon på rørbølger, forårsaker grensene mellom formasjoner med forskjellige permeabiliteter også reflekterte rørbølger. Når effekten av en endring i permeabilitet blir simulert ved å bruke en enkel modell av et permeabelt reservoar innbakt mellom to ugjennomtrengelige halvrom, vil det fremgå at det finnes noen refleksjon som skyldes feiltilpasning av rørbølgehastigheten mellom laget og de halve rom. Økninger i lagpermeabilitet i simuleringen fører til en dramatisk økning i rør-bølgereflektiviteten, spesielt ved lave frekvenser. Den ekstra reflektivitet skyldes økt fluidkommunikasjon, idet en mer gjennomtrengelig formasjon forårsaker en stor reduksjon av rørbølgehastigheten inne i laget og følgelig større kontrast i egenskaper som styrer refleksjonen. Hvis fluidkommunikasjonen blir avsluttet (for eksempel hard slamkake), vil alle responsene falle ned til den sorte kurve som tilsvarer et ugjennomtrengelig, elastisk tilfelle.

Dette fremhever det faktum at rørbølgesignaturer bare påvirkes når det fins fluidkommunikasjon. For en delvis fluidkommunikasjon vil responsene falle mellom elastisk ugjennomtrengelige og tilsvarende åpen-strøm pore elastisk løsning.

Vi har oppdaget at rørbølger kan øyeblikkelig prøve nærværet eller fraværet av fluidkommunikasjon over borehullets vegg inne i et bestemt lag. Hvis det ikke finnes fluidkommunikasjon som skyldes nærværet av slamkake eller mangel på formasjonspermeabilitet, blir hastighetsreduksjonen eller dempningen observert. Hvis det fins fluidkommunikasjon blir hastighetsreduksjonen og dempningen observert. I en refleksjonskonfigurasjon fører likeledes økt fluidkommunikasjon til en større refleksjon. I de neste avsnitt vil vi vise anvendelse av disse prinsippene på forede, fullførte borehull med sandfiltrerte kompletteringer.

Forede og kompletterte borehull

En foret og komplettert brønn har flere lag mellom formasjonen og borehullsfluidet. Som vist på figur 2, i en forenklet modell med sandfiltrert, foret komplettering finnes typisk de følgende, konsentriske, sylindriske lag: fluidfylt borehull 10, sandfilter 14, pukkfilter 16, foring 18 og formasjon 22. Flere perforeringer 24 i foringsrøret virker som kommunikasjonskanaler og forbinder borehullet 10 med formasjonen 22 ved å bruke foringsrøret 18. I kompletteringer med åpent hull, er foringen og perforeringene fraværende og formasjonsfluid kommuniserer direkte med borehullet gjennom pukkpakningen og sandfilteret. Sandfilteret og pukkpakningen hindrer migrasjon av reservoarsand inn i borehullet samt opprettholder strukturen av reservoaret rundt borehullet.

Denne mer komplekse modell av en komplettert brønn har en vesentlig likhet med den enkle modell med åpent hull, nemlig ved at det i en strømmende brønn vil være fluidkommunikasjon over alle lag av kompletteringen. Mangel på fluidkommunikasjon i et mellomlag (sand eller perforeringer) vil endre strømmen av reservoarfluid inn i borehullet.

Som nevnt nedenfor har vi oppdaget at redusert eller fluidkommunikasjon over sandfilteret eller perforeringene har en målt effekt på signaturene av rørbølger som passerer gjennom den relative del av borehullet. Således kan nærværende systemer og fremgangsmåter brukes for å overvåke om permeable brønninnretninger, herunder, men ikke begrenset til sandfiltre og perforerte foringsrør, tillater det forventede strømningsnivå eller blir delvis eller fullstendig plugget. Så lenge tilstrekkelige følere er på plass for å tilveiebringe den nødvendige løsning, kan nærværende systemer og fremgangsmåter brukes for å lokalisere og kvantisere utstrekningen av plugging av en permeabel brønninnretning. Videre har vi oppdaget at nærværende systemer og teknikker kan brukes for å overvåke dynamiske systemer hvor raten og fluidstrømningsmønsteret endrer seg, slik som i en pukkpakningsprosess.

Det fins betydelige, akustiske avvikelser mellom åpne og sandfiltrerte kompletteringer: a) sistnevnte har ekstra solide lag av sandfilter eller foring (begge fremstilt av stål), b) bare et enkelt poreelastisk lag og et enkelt grensesnitt finnes i den åpne modell mens det fins flere poreelastiske lag i den sandfiltrerte komplettering (perforert foringsrør, formasjon, pukksand, sandfilter) og flere poreelastiske grensesnitt mellom dem, c) pukksand og sandfilter er svært forskjellig fra reservoarfjell ved at de er svært permeable (permeabilitet større enn 100 Darcy), og pukksand har svært lav skjærhastighet (mindre enn 100 m/s).

Effektene av forings- og (ikke-permeable) sandfilter kan delvis forstås etter å ha studert bølgepropagering i produserende brønner med rør og foringsrør eller åpne hull med borerør. I begge tilfelle blir innerrøret og ringrommet fylt med samme eller forskjellig fluid. En viktig forskjell mellom disse analoge modeller og sandfilter kompletteringen er: rør, borerør og foringsrør er fullstendig ugjennomtrengelige, mens sandfilter, pukksand og foringsrør er svært permeable og i det normale tilfellet, åpne for strømning, og ringrommet blir fylt med fluid uten skjærstivhet mens pukksand i den sandfiltrerte komplettering sannsynligvis har noe skjærstivhet.

Det fins to teknikker som utnytter rørbølger ved produserende forede og perforerte borehull for å overvåke hydraulisk frakturering. Den første teknikk omfatter bruk av "rør-bølgerefleksjonslogger". Den analyserer styrken av rør-bølgerefleksjoner langs et perforert intervall som ble hydraulisk frakturert. Ved å utføre rør-bølge-re fleksjonslogging ved frekvenser~300-3000 Hz før og etter stimulering, kan man bedømme kvaliteten av hydraulisk frakturering langs det perforerte intervall. Den andre teknikk, "hydraulisk impedans prøving", består av periodisk pulsering av en stimulert brønn med svært lave frekvensrørbølger (mindre enn 10 Hz) og ser etter endringer i forskjellige signaturer av reflekterte signaler for å beregne tiden for åpning og parametrene av en hydraulisk fraktur bak et perforert foringsrør. I den første teknikk blir en kilde og en mottaker plassert i borehullet ved siden av frakturen og følgelig kan høyfrekvensrefleksjoner løse strømningsegenskapene ved individuelle, vertikale intervaller på noen få meter. I den andre teknikk blir signalet sendt og mottatt fra brønnhodet med det resultat at bare svært lave frekvenser kan registreres. Som konsekvens har denne teknikk en dårlig, vertikal oppløsning og bare gjennomsnittlige egenskaper av hele frakturen kan evalueres. Uansett viser begge teknikkene bruk av rørbølger for å avføle økning i fluidkommunikasjon mellom borehull og formasjon forårsaket av åpningen av en hydraulisk fraktur.

Ingen teknikker finnes for tiden for å overvåke kompletteringsmiljø som omfatter både menneske skapt (filter, foring, pukksand) og naturlig (formasjon) komponenter, hvis permeabilitet må overvåkes over tid. I den følgende diskusjon har vi konsentrert oss om eksperimentsimulerende realistiske kompletteringer i laboratorium og sammenligne resultatene med analytisk og numerisk modellering.

Laboratorieoppsett med en horisontal brønnmodell

Figur 3 viser skjemaet for et horisontalt strømningssløyfeoppsett for eksperimentelle målinger. I et eksperimentoppsett bestod ytterrøret (foringsrøret 18) av 9m lengde av seks 5 fots seksjoner som er føyd sammen og festet til den underliggende støtteskinne. Innerrøret (sandfilter 14) ble anbrakt innvendig ved å bruke plast sentraliserer. En kilde 32 og flere følere 34 ble anbrakt inne i innerrøret.

Det vil fremgå at oppfinnelsens ideer kan brukes i systemer hvor følerne blir utplassert på en wireledning eller blir permanent plassert i hullet. Som et eksempel kan følere omsluttes i selve hullet og montert på noen av rørene nede i brønnen eller være omfattet i form av fordelte følere (som kan være fiberoptiske følere) som blir viklet rundt en eller flere rør eller innretninger nede i brønnen.

Likeledes kan kilde 32 omfatte en passende kilde eller flere kilder og kan senkes inn i hullet eller utplasseres permanent i hullet. Som nevnt nedenfor kan kilden være en effektiv kilde og kan befinne seg utenfor hullet så lenge den er akustisk koblet til fluidet i det aktuelle området.

Ringrommet mellom inner- og ytterrøret kan fylles enten med vann eller vannmettet pukksand. Målinger ble utført med en hydrofongruppe og en piezoelektrisk kilde i bunnen av innerrøret. Kilden eksiterte en bredbåndspulsbølgeform med en styrt dominansfrekvens. 24 hydrofonfølere med 35 cm avstand registrerte det resulterende bølgefelt. For å minske bakgrunns (bygnings/luftforhold)-støy ble det brukt stabling av flere registreringer.

Vi forsøkte å skille mellom fire kompletteringsscenarier (tabell 1) ved hjelp av rør-bølgesignaturer. "Åpen" og "lukket" benevner to yttertilfeller av nærvær eller fravær av full fluidkommunikasjon. "Delvis" fluidkommunikasjon vil fremgå av mellomsignaturer mellom disse to grenser. Signaturene som ble undersøkt omfatter propageringshastighet og dempning av rørbølger samt overføring og refleksjonsamplituder fra grensesnitt, slik som ved 28, der kontaktmedia blir beskrevet av forskjellige scenarier.

I beskrivelsen presenterer vi eksperimentelle målinger for scenario 1 og 2 i fravær av pukksand og sammenligner dem med modellering. I det siste avsnittet presenteres numerisk modellering av pukkpakkede kompletteringer for de første to scenarier.

Bølgepropagering i en forenklet kompletteringsmodell i et laboratorieoppsett (ingen pukkpakning)

Her presenteres en enkel modell som beskriver bølgepropagering i laboratorieoppsettet. Denne modell trenger bare en liten endring for å kunne brukes i et sanntidsmiljø. Faktiske sandfiltre kan være ganske kompliserte, men vi begynner med forutsetningen at filteret representeres av et homogent, effektivt rør både mekanisk og hydraulisk. Hvis dette rør ikke er permeabelt, (det vil si at det er et plugget filter), kan laboratorieoppsettet forenkles til denne firelags modell: 1) fluid, 2) elastisk innerrør (filter), 3) fluid, 4), elastisk ytterrør (foringsrør). Denne modell med to konsentriske, elastiske rør med en fri yttergrense (luft) støtter fire asymmetriske bølgemoduser ved lav frekvens:

• TI - rørbølge støttet av innerrøret

• TO - rørbølge støttet av ytterrøret

• PI - plate- eller foringsrørtype bølge relatert til innerrøret

• PO - plate-type bølge relatert til ytterrøret

Vedlegget til US patentskrift 61/004 877 som det henvises til her, beskriver generaliteten ved disse modusene og forklarer hvordan modushastigheten kan avhenge av kompletteringsparametere. Det vil imidlertid fremgå at modusene og behandlingen av de resulterende signaler kan utføres ved å bruke ethvert antall matematiske teknikker som er kjent i faget.

Ved å bruke teknikkene beskrevet i tillegget utførte vi empirisk analyse og modellering for å bestemme effektiviteten av de krevde ideer. Eksempel på trykkseismogrammer for en firelagsmodell med lukkede porer (ingen pukkpakning fra monopol kilde med etterfølgende forsterkninger med kildemidtfrekvens = 1000 Hz, viste at (a) den største ankomsten er en rask rørbølge (TO - 1030 m/s) knyttet til det stive ytterrør, (b) den mindre ankomst er en langsom rørbølge (TI - 270 m/s) knyttet til det mykere innerrør og (c) platebølgene har en mindre amplitude (PO - 5410 m/s, PI - 1630 m/s). Den raske rørbølge var minst dempet i fraværet av et filter, noe dempet i lukkede porer og vesentlig absorbert i åpne porer. Syntetiske seismogrammer for et eksempel på en firelagsmodell ble beregnet ved å bruke en endelig differansekode. I disse modellene ble den dominerende ankomst funnet å være en rask rørbølge tilknyttet ytterrøret (TO), mens den langsomme rørbølge støttet opp av innerrøret (TI) var svakere og platebølger kunne ikke ses med en vesentlig forsterkning. Plate - bølgehastigheter ble funnet å være nesten uavhengig av frekvens, de raske rørbølger er litt spredt mens langsomme rørbølger hadde en moderat fordeling. Hvis formasjon blir lagt til utenfor foringsrøret, forsvinner ytterplatebølgen (PO). Hvis ringrommet mellom foringsrøret og filteret blir fylt med sand vil det bare være en rørbølge og en platebølge tilknyttet den sammensatte struktur av kompletteringen. Således kan nærværet av to rørbølger brukes som diagnose for en komplettering uten en pukkpakning (eller fluidisert pukkpakning). Rørbølgenes egenskaper i en pukkpakket komplettering er omtalt nedenfor.

Hvis innerrøret blir permeabelt (som i et sandfilter som er åpen for strøm) holdes samme antall bølgemoduser men deres hastighet og dempning blir endret. Enkelt sagt opplever begge rørbølgene dempning og en reduksjon av hastighet.

I vår modellering ble sandfiltre åpen for strømning modellert som et homogent rør av poreelastisk biot-materiale. Effektiv mediumsteori kan ikke helt rettferdiggjøres siden mikroelementer, som for eksempel perforeringer i bunnrøret eller slisser har samme dimensjoner som rørtykkelsen. Uansett antyder data at rørbølger med en bølgelengde på flere meter "ser" filteret som et effektivt rør og rettferdiggjør bruken av en enkel modell for å forstå virkningen av permeabilitetsendringer på rør-bølgesignaturer. Således blir den radiale permeabilitet av eksperimentfiltrene estimert ved å bruke en enkel, analytisk modell med en rekke parallelle slisser eller frakturer.

Når perforeringene er lukket (scenario 1 og 2), anses yttergrensen som et ugjennomtrengelig rør med en sporfri yttergrense. Fullstendig plugging (scenario 2) blir modellert som et ikke-strømsgrensetilfelle mellom filteret og de omsluttende fluider.

Komplettering uten pukkpakning: Eksperiment versus modellering

Eksperimenter ble utført med et ytterrør av glass og et innerrør PVC. For å modellere et åpent sandfilter ("åpne porer") ble det brukt et PVC-rør med 0,0002 m med slisser. Plugget sandfilter ble modellert med et tomt PVC-rør uten slisser og kalles også "lukkede porer".

A. Transmisjonssignaturer

For transmisjonssignaturer, hastighet og dempning, i nærvær av nærværet av åpne og pluggede filtre, sammenlignet vi bølgefelt registrert uten filter og filter med "åpne" og "lukkede" porer. I nærværet av et filter fant vi at det fantes bare en (rask) rørbølge til stede med en hastighet på omtrent 1050 m/s. En opplever noe amplitudetap, kanskje på grunn av den innebygde dempning i glasset samt i den tykke opptakskabel. Når det legges til et ugjennomtrengelig innerrør (lukkede porer), vises en annen langsom rørbølge, mens den hurtige bølge begynner å bli litt mer dempet på grunn av den høye absorberingen i PVC. Med et slisset innerrør kommuniserer fluid over PVC-filteret som forårsaker en relativt sterk dempning i begge rørbølger. Termen "relativt sterk dempning" gjelder dempning som er større enn dempningen som oppleves av den raske bølge som vandrer gjennom mediumet som er kjent å være relativt ugjennomtrengelig sammenlignet med den aktuelle komplettering eller området. Medial filtrering kan skille rask og langsom bølge og avslører nærværet av flere refleksjoner av hver bølge ved forbindelsen mellom de 5 fot lange rørsegmenter. Vi fant at den langsomme bølge var fraværende uten et filter og til stede i et filter med lukkede porer og mer dempet og langsommere i åpne porer. Således konkluderte vi at meget øket dempning av både raske og langsomme rørbølger først og fremst gjelder på åpne filtre ("åpne porer") mens redusert dempning er karakteristisk for pluggede filtre ("lukkede porer").

Når det bestemmes at alle eller en del av en komplettering blir plugget, kan det være ønskelig å justere fluidegenskapene i borehullet for å redusere eller eliminere plugging. Dette kan for eksempel oppnås ved å justere nedtrekkstrykket, pulsere trykket, modifisere fluidsammensetningen eller en annen teknikk, på kjent måte.

Andre diagnoser kan fastslås ved å analysere energifordelingen som funksjon av frekvensen mellom de to tilfellene. Siden de eksperimentelle data blir komplisert ved nærværet av tilleggsrefleksjoner ved rørskjøtene, utføres denne analyse fortrinnsvis ved å bruke langsomme frekvensspektra. Et langsomt frekvensspektrum for de syntetiske seismogrammer viser at den raske rørbølge dominerer spektrumet. For lukket pore ble den langsommere rørbølge godt synlig med en bredere spiss mot lavere frekvens som indikerer spredning. I nærværet av åpne slisser opplever den første bølge en sterk dempning som er især anormal i middels frekvensområdet (350-700 Hz).

I en plott av det gjennomsnittlige hastighetsspektrum over hele frekvensområdet, var både raske og langsomme bølger med omtrent samme hastighet på 350 m/s og 1100 m/s til stede i de pluggede og åpne tilfeller, men den langsomme bølge var fullstendig fraværende uten et filter. I et plugget filter har denne raske bølge maksimal energi i frekvensområdet på 300-600 Hz som er nær den dominerende frekvens av kilden, mens lavere og høyere frekvenser hadde mindre energi.

På den annen side har spektrumet av den raske bølge i et åpent filter et større energi-"hull" mellom 300 og 600 Hz hvor den raske bølge dempes så sterkt at selv høyere frekvenser (600-900 Hz) hadde mer energi. Som for den langsomme rørbølge, eksisterte hovedsakelig frekvenser under 600 Hz og ble også dempet. Overraskende økte denne amplitude ved lavere frekvenser for åpne porer mens den var større enn amplituden av den raske bølge.

Denne eksperimentelle atferd ble deretter sammenlignet med resultater som ble predikert ved å bruke numerisk modellering. En plott av teoretiske dispergeringskurver for tilfellet med lukkede porer avslører at den raske rørbølge opplevde lite spredning under 2000 Hz tilsvarende eksperimentelt observerte verdier. Syntetiske trykkseismogrammer beregnet for lukkede og åpne porer i et eksperimentoppsett som bruker en reflektiv fremgangsmåte viser at langsomme rørbølger i åpne porer går over til en temmelig komplisert energipakke med temmelig lave hastigheter og et trinnvist mønster. Linjer som ble trukket og forbinder bruddet i fasen har skråninger som er nær langsom P-bølgehastighet i det porøse filtermaterialet. En økning av diameteren til det ugjennomtrengelige innerrør forventes å føre til en langsommere hastighet i den andre rørbølge fra 350 til 280 m/s. Selv om den langsomme hastighet for lukkede porer er godt tilpasset, er hastigheten for åpne porer høyere enn predikert. Sannsynligvis er det et resultat av variasjon i elastiske egenskaper av PVC materialet som blir brukt for fremstilling av tomme rør og det slissede filter. Syntetiske seismogrammer ble beregnet for et glassoppsett med vårt beste estimat av poreelastiske parametere for vårt eksperimentelle oppsett. Som i tilfellet med de eksperimentelle resultatene i forbindelse med lukkede porer, observerte vi to rørbølger hvor den raske rørbølge dominerte i amplitude. I nærværet av et filter med åpne slisser, opplevde begge bølger sterke endringer. Den raske rørbølge opplevde moderat dempning og endring av bølgeform. Det langsomme rør ble omdannet til en kompleks pakke med svak amplitude og snarere langsomme hastigheter og en svært merkelig egenskap. Ved å forbinde punktene hvor fasen endrer seg inne i pakken, avledet vi en approksimering av hastighetsutbredelsens langsomme biot-bølge i det porøse filtermaterialet (~80 m/s). Siden den sentrale frekvens av kilden (500 Hz) var mye høyere enn den kritiske biot-frekvens (30 Hz), kan interferensen med langsom biot-bølge i det porøse filter være en årsak til en komplisert bølgepakke.

Uten å begrense oppfinnelsen omfang på noen måte antydes følgende fysisk fortolkning av de modellerte resultater. En rørbølge frembringes når den stempellignende bevegelse av fluidet i røret frembringer en radial utvidelse som blir hindret av det elastiske rør. Den langsomme bølge blir hovedsakelig støttet av innerrøret. Når dette rør er slisset, vil en radial bevegelse av fluid ikke lenger hindres ettersom væske fritt kan slippe til ringrommet og således føre til en sterk dempning av denne bølge. På en annen side blir den raske bølge hovedsakelig støttet av det ytre faste glassrør. Når innerrøret er permeabelt, kan den stempellignende bevegelse av fluidet i den raske bølge i tillegg endre fluidet mellom ytre og indre fluidsøyler og således frembringe en moderat dempning.

Plotter av langsomme frekvensspektra for åpne porer viser at den raske bølge, tilsvarende de eksperimentelle resultater, opplever anormalt høy dempning i det midlere frekvensområdet på 350-700 Hz. I tillegg blir hastigheten redusert ved lave frekvenser og energispissen blir bredere, hvilket indikerer spredning. Plotter av energifordeling (venstre) og spisshastighet (høyre) for den raske rørbølge i de syntetiske data, bekrefter at den raske rørbølge i et åpent filter blir langsommere ved lavere frekvenser, men opplever en litt liten akselerering ved høyere frekvenser. Sammenligning av plottene bekrefter den kvalitative samsvarighet mellom eksperiment og modellering: I begge tilfeller oppviser den raske bølge en anormal amplitude minskning i det midlere frekvensområdet mens det opprettholder sine høyere og lavere frekvenser. Denne amplitudeminskning kan ikke forklares av spektra av kildebølgene og bør derfor skyldes anormal dempning forårsaket av fluidbevegelse gjennom det slissede, porøse filter.

Frekvensområdet som oppviser resonansdempning blir regulert av permeabilitet. Når permeabiliteten minsker til 50 D, vil for eksempel dette båndet flyttes fra 350-700 Hz til 600-1000 Hz, det vil si at jo høyere permeabilitet, jo høyere frekvens av båndet med anormal dempning av den raske bølge. Dette er også i samsvar med eksperimentelle data siden pluggede filtre (0 Darcy) ikke oppviser anormal dempning på grunn av at det dempede bånd vil være ved svært høye eller uendelige frekvenser. Følgelig kan den sentrale frekvens av båndet med anormal dempning av den faste rørbølge brukes som en ekstra robust diagnose av filterpermeabiliteten. Det skal bemerkes at den sentrale frekvens i begge tilfeller av kilden er fortrinnsvis mye høyere enn den kritiske biot-frekvens for filteret. Det forblir uforståelig hvorfor modellering i åpne porer predikerer en temmelig sterk spredning og uvanlige egenskaper og en sterk dempning av den langsomme rørbølge mens eksperimenter viser at den langsomme bølge er enklere og av en mer sammenlignbar amplitude med den raske bølge ved lave frekvenser.

Forskjellig hastighet og dempning mellom kompletteringer med åpne og pluggede filtre fører også til refleksjoner ved grensene hvor egenskapene endres. De følgende avsnitt beskriver transmisjonsrefleksjon ved et enkelt grensesnitt mellom åpne og pluggede deler av filteret.

Grensesnitt plugget åpent

Først brukte vi en eksperimentell modell hvor 2/3 av rørlengden omfatter et tomt rør (lukkede porer) og den resterende 1/3 omfattet et slisset filter. Ved lave frekvenser eksiterer en kilde i midten av det tomme rør både raske og langsomme bølger. Den raske bølge er svært dempet etter å ha nådd grensesnittet, for eksempel ved 28 på figur 3. Den langsomme bølge opplever sterk refleksjon som lettere ses på den bølgefeltseparerte skjerm. Ved høyere frekvenser blir refleksjoner av rask bølge mer observerbar. Modellering viser kvalitativt tilsvarende atferd. Først blir den raske bølge mer dempet i den åpne del. Mens vi observerer både rask-rask og langsom-langsom refleksjon, er sistnevnte for det andre vesentlig større i amplitude, i samsvar med de eksperimentelle data. Som nevnt over blir det observert at modellering undervurderer amplituden av den langsomme bølge i åpne porer.

Grensesnitt åpen plugget

Når kilden befinner seg i den åpne del vil bølgepropageringen endres. For det første konverteres den langsomme rørbølge ved lave frekvenser (~300 m/s) som dominerer bølgepropagering i den åpne del, effektivt til en rask bølge (~1000 m/s) i den pluggede del. Forstyrrelsen mellom de sterkt dempende raske og langsomme bølger frembringer inntrykket av en krummet ut-bevegelse rundt kilden, men det vil fremgå at den raske bølge bæres av en sent ankommet direkte langsom bølge. En enkel undersøkelse av ikke-behandlede klumper avslører plasseringen av det åpne pluggede grensesnitt som en endring i helningen av dominerende hendelser. For det andre genererer samme hendelse i den langsomme bølge en sterk refleksjon tilbake til den åpne del som er tydelig større enn den tidligere refleksjon fra en rørskjøt. Ved høyere frekvenser ble det observert for det tredje en direkte rask bølge fra kilden som raskt ble dempet i den åpne del, men konvertert til en rask bølge som opplever mindre dempning i den lukkede del. Uansett blir den sterkere høyere bevegende rask bølge båret av konvertering fra en senere langsom rørbølge.

Komplettering med en pukkpakning - numerisk modellering

For å forstå påvirkning av pukksand på bølgepropagering er det viktig riktig å predikere sandens skjærmodul. Det fins to mulige scenarier: • Hvis skjærmodulen er liten men ikke forsvinnende, tilsvarer pukkpakningen et lag med et svakt elastisk materiale. I dette tilfellet opptrer kompletteringen som en kompositt (radialt lagdelt) poreelastisk omslutning som består av et sandfilter, pukksand og foringsrør som alle har en ikke-null skjærstivhet. Hvis alle lagene blir fullstendig bundet vil det bare finnes en enkelt rørbølge. • Hvis skjærmodulen av sand er null virker pukken som et oppheng og dets atferd tilsvarer et effektivt høytetthetsfluid men kompliseres av en bestemt porøsitet og permeabilitet. Flere enn en rørbølge vil kunne observeres i dette tilfellet og gjør det tilsvarende et tilfelle med komplettering uten en pukkpakning.

Basert på våre undersøkelser er det antatt at i det normale tilfellet med høykvalitetspukkpakninger, vil det første scenario eller tilfelle finne sted. Dette bekreftes av visuell inspeksjon av pukkpakningsprosedyrene ved laboratoriet: Etter at sandpartiklene er pakket vil de ikke bevege seg med strømmen og forbli "låst" på plass. Dette indikerer en korn-mot-korn-kontakt og en ikke-forsvinnende skjærstivhet. Det andre scenario kan oppstå i tilfellet med fluidisert sand når strømmen destabiliserer pukkpakningen og korn-til-korn-kontakten ikke lenger finner sted. I den følgende diskusjon konsentrerer vi om det "normale" første scenario når pukkpakningen blir modellert som et lag av porelastisk biot-medium. Skjærbølgehastighet forblir den mest usikre parameter. For innledende modellering har vi tatt en verdi på 70 m/s som ligger mellom stedsestimatene på~120-150 m/s og laboratorieestimater på~10-20 m/s.

I det neste avsnitt analyserer vi bølgepropagering i modellen som beskriver laboratoriealuminiumsoppsett som vil kunne brukes for et faktisk eksperiment med en pukkpakning i fremtiden. Således undersøker vi firelagsmodell med en ledig yttergrense som består av: 1) fluid, 2) elastisk innerrør (filter), 3) sand, og 4) elastisk ytterrør (foringsrør).

Transmisj onssignaturer

Hvis den poreelastiske natur av sand og filter blir oversett og blir modellert som elastisk, ugjennomtrengelig medium, vil bare to av aksisymmetriske moduser propagere ved lave frekvenser:

• T - rørbølge støttet av komposittrøret som består av filter, sand og foringsrøret,

• P-plate- eller foringsrør type bølge støttet av komposittrøret.

Således har en pukkpakket komplettering halvparten så mange moduser som en komplettering uten pukkpakning. Dette forenkler bølgepropageringen meget. En komposittrørbølge ligner mer på en rask rørbølge og opprettholder også en tilsvarende hastighet på~1100 m/s. Når sand blir fluidisert vil en andre (langsom) rørbølge fremkomme som tilsvarer tilfellet med en komplettering uten en pukkpakning. Følgelig blir nærværet av en andre, langsom rørbølge en diagnostikk over kompletteringer med fluidisert sand eller mangel på sand. Platebølgen har en drastisk lavere hastighet og blir sterkt spredende på grunn av de svært kontrasterende, elastiske egenskapene i kompletteringslagene.

Endelig skal det bemerkes at flere aksisymmetriske moduser vises ved høyere frekvens. Avskjæringsfrekvensene av den høyere modus avtar med avtagende skjærhastighet av sanden. Som resultat kan en svært lav skjærhastighet av sanden frembringe en kompleks flermodusbølgepropagering.

Syntetiske seismogrammer viser at rørbølgen dominerer bølgepropageringen ved lave frekvenser mens platebølgen bare kan ses med høy forsterkning. I den pluggede del av filteret (lukkede porer), har rørbølgen høyere hastighet og opplever svært liten dempning, som forventet. På en annen side tillater åpne porer fluidkommunikasjon mellom væskesøylen i filteret og porefluidet i sanden. Som resultat observerer vi en sterk spredning og reduksjon av hastighet samt vesentlig dempning selv ved svært korte forskyvninger. Tilsvarende loggemetodene med åpent hull, kan vi skille permeable og ikke-permeable deler av filteret ved å undersøke hastigheten og dempningen. Senkning av hastigheten og høy dempning er enkle diagnostikker av en åpen del mens en økning og liten eller ingen dempning karakteriserer en plugget del.

Refleksj onssignaturer

De syntetiske seismogrammer viser også refleksjonsoverføringsprosessen ved det pluggede åpne og det åpne pluggede grensesnitt. Bølgepropageringen er forenklet sammenlignet med tilfellet uten pukkpakning siden bare en enkelt rørbølge finnes i den åpne og pluggede del. Den reflekterte rørbølge skyldes forskjellen i hastighet og dempning over grensesnittet. Interessant nok blir den reflekterte bølge i modellen fra det lukkede åpne grensesnitt svært stor (omtrent 35 %) mens den reflekterte bølge fra det åpne, pluggede grensesnitt er svakere (omtrent 5 %). Det er fristende å bruke fremgangsmåten med en D effektivt bølgenummer for å få innsikt i refleksjonsoverføringsprosessens fysikk. Selv om denne fremgangsmåte har blitt validert for poreelastiske medier og radialt ikke-homogene, elastiske medier, er gyldigheten for radialt lagdelte poreelastiske medier ikke ennå etablert. Ved å bruke D-antagelsen, predikerer ikke desto mindre fremgangsmåten med effektivt bølgenummer at refleksjonskoeffisientene ved pluggede åpne og åpne pluggede grensesnitt bør ha samme størrelse og motsatt fortegn som står i motsetning til den endelige differansemodellering.

Fiberoptiske innretninger

Som nevnt ovenfor beviser laboratorieeksperimenter og modellering ideen med å bruke rørbølgesignaler for å overvåke permeabilitetsendringer langs kompletteringen. For å implementere denne teknikk nede i brønnen, er det imidlertid nødvendig å tilveiebringe akustiske kilder og mottakere i en produserende brønn. Verktøy brukt i laboratoriet egner seg ikke for utplassering nede i brønnen idet slike verktøy krever at kildene og mottakerne blir beskyttet og ikke hindrer strømning.

Følere

Når det gjelder mottakere kan disse målsetninger oppfylles ved at fiberoptiske følere plasseres på utsiden av røret (sandfilter, rør eller foringsrør). I tillegg kan slike følere være fullstendig passive og ikke kreve elektrisk kraft. Vi prøvde ut denne ide ved å sammenligne hydrofonregistrering inne i plastrøret med fiberoptiske "på røret" seismogrammer. God samsvarighet ble observert mellom de to målesettene.

Selv om både rør- og platebølger inne i røret ved lave frekvenser, er beskrevet ved en stempellignende bevegelse produserer rørbølger på rørveggen hovedsakelig radial forflytning mens platebølger produserer hovedsakelig aksial forflytning. En fiber viklet rundt røret påviser den radiale forflytning av røret som er karakteristisk for rørbølger, også kalt "puste"-moduser. I tillegg forsøker asimut gjennomsnittsberegninger utført av fiberoptiske følere å undertrykke annen støy og fremheve den aksisymmetriske rørbølge.

Å vikle fiber på utsiden av sandfilteret eller foringsrøret kan implementeres ved å bruke sanntids foringsrøravbildning (RTCI)-verktøy som tar sikte på å måle deformasjoner av røret. RTCI-følere anbringes i nær avstand til hverandre for å påvise asymmetriske, kvasistatiske deformasjoner mens nærværende sanntids kompletteringsovervåkning (RTCM) fortrinnsvis bruker et gjennomsnitt rundt periferien av røret på utvalgte steder, men ved nøye prøvetakningsintervall over tid.

Laboratoriefiberoptisk system

Gjeldende fiberoptiske system brukt i prøveoppsettet var et interferometrisk system basert på Michelson-interferometere. En Michelson-interferometer består av en signalsplitter, en referansespole, en avfølingsspole og to Faraday Rotating Mirrors (FRM), en plassert i enden av hver fiberspole. Det modulerte lys fra laseren blir splittet eller delt og vandrer ned referanse- og avfølingsspolene. Begge signalene reflekterer ved FRM og vandrer tilbake til splitteren hvor de forstyrrer og lyset blir dirigert eller rutet tilbake til optoelektronikken ved hjelp av den andre fiberledning.

Avfølingsspolen er viklet rundt røret og opplever belastning etter hvert som røret puster. Referansespolen er fortrinnsvis anbrakt svært nær til avfølingsspolen for å minimere eventuell støy som plukkes opp før signalene forstyrrer. Interferenspunktet mellom avfølingssignalet og referansespolen er splitteren/kombineringsenheten som er plassert på samme sted nede i brønnen sammen med spolene. Belastningen innført i røret under pustebevegelsen forårsaker en dynamisk endring i den optiske banelengde i avfølingsspolen sammenlignet med referansespolen. Endringen i den optiske banelengde forårsaker en forflytning i det interferometriske signal som i sin tur kan knyttes til størrelse og frekvens av rørets pustebevegelse.

Hovedfordelen med dette opplegg er at det er lett å installere og fleksibelt for å kunne bevege de enkelte følere mellom forskjellige steder på røret samt mellom forskjellige prøveoppsett. Et eksperimentelt system med 24 følere bruker 48 fiberoptiske ledninger som kan håndteres i et laboratoriemiljø, men som er upraktisk for feltutplassering.

Fiberoptisk system for feltinstallering

Et system for feltutplassering vil fortrinnsvis bruke et signal multipleksingssystem basert på frekvensdelt multipleksing (FDM) og bølgelengdedelt multipleksing (WDM) som vil redusere antallet fiberoptiske ledninger som er ført fram av følingsdelen til overflaten. Referansespolen av Michelson-interferometeret er ikke foretrukket for feltutplassering ettersom referansespolen bør kunne kreve noe plass mellom røret og foringsrøret. Det valgte Michelson-interferometriske system er ideelt for gjeldende laboratorieeksperimenter hvor en høy grad av fleksibilitet er ønskelig sammen med høyest mulig ytelse og støykansellering. Det kan imidlertid være ikke-optimalt ut fra et generelt utplasseringsperspektiv, på grunn av dets mekaniske fotavtrykk.

Andre teknikker for å foreta de ønskede målinger finnes og kan også være praktisk for feltutplassering. To muligheter gir især god ytelse og kan være kompatibel med nærværende system. Begge disse systemene bruker en kontinuerlig, optisk fiber.

Den første teknologi er basert på Fabry-Perot-interferometeret hvor reflektive speil er gravert i den optiske fiber. Den graverte avfølingsspole blir viklet rundt røret som for Michelson-interferometeret og opplever belastning etter hvert som røret puster. Referansespolen er relativt langt fra avfølingsspolen og signalpulsene kan plukke opp støy etter hvert som de vandrer opp langs kabelen før signalene forstyrrer. Belastningen indusert i røret under pustebevegelsen forårsaker en dynamisk endring i den optiske banelengde i avfølingsspolen sammenlignet med referansespolen. Endringen i den optiske banelengde forårsaker en forskyvning i det interferometriske signal som i sin tur kan knyttes til størrelsen og frekvensen av ytterrørets pustebevegelser. Fordelen med Fabry-Perot-systemet er det mindre fotavtrykk ned i brønnen. Ulempen er den potensielt høyere støy som kanskje plukkes opp av kabelen som forbinder følerne til optoelektronikken på overflaten.

Den andre teknologi "Blue ROSE" ble utviklet av Naval Undersea Warfare Center for militære sikkerhetsapplikasjon hvor "ROSE" er en akronym for Rayleigh Optical Scattering and Encoding. Blue ROSE-teknologien påviser Rayleigh tilbakespredningsprofiler (eller "fingeravtrykk") langsetter fiberen. Hvert segment av den optiske fiber har en unik spredningsprofil som skyldes de vilkårlige urenheter i fiberen som forårsaker Rayleigh-spredningen. Blue ROSE-systemet bruker Rayleigh-fmgeravtrykk i den optiske fiber som Fabry-Perot-reflektorer. Systemet kan dynamisk bruke forskjellige Rayleigh-fingeravtrykk langsetter fiberen. Blue ROSE har potensial til å kunne kombinere både RTCI- og RTCM-systemer i en enkelt kabel som kan være ønskelig for en fullstendig overvåkning nede i brønnen.

Kilder

Både transmisjons- og refleksjonskonfigurasjonen av RTCM krever repeterbar eksitering av rørbølgen nede i brønnen. Dette kan oppnås på to forskjellige måter som beskrevet nedenfor ved å bruke både aktive og passive kilder.

Aktive kilder

I prinsipp kan en egen aktiv kilde mekanisk være klemt på utsiden av røret eller filteret på tilsvarende måte og være mekanisk eller magnetstriktive. Bortsett fra tilleggsinstallasjonen i brønnen krever denne fremgangsmåte også en elektrisk kraftkabel for kilden.

Passive støykilder

Et mindre krevende alternativ kan være å bruke strømningsstøy eller andre forstyrrelser som et passivt signal å oppnå respons mellom de to følere ved å bruke krysskorrelering. Såkalt "støykorrelatorer" har blitt brukt for å påvise plasseringen av underoverflatelekkasje i rørene. Nylig ble tilsvarende krysskorreleringsteknikk av fiberoptiske eller på røret følere brukt for å måle rørbølgehastighet og invertere for fluidsammensetning og strømningshastighet i overflate- og brønnrør. I brønnrørtilfellet omfatter den akustiske strømningsmåler fortrinnsvis en gruppe fiberoptiske følere installert på utsiden av røret nær kompletteringen og utfører akustiske målinger i sanntid mens brønnen strømmer.

Effektiv kilde

Krysskorrelering er en D-versjon av den mer generelle Virtual Source-fremgangsmåte beskrevet i US patentskrift 6 747 915 og den internasjonale søknad WO2008064100. Etter krysskorrelering for eksempel, er det mulig med en registrering ved den første mottaker med de ved de gjenværende følere mulig for å oppnå en respons som om signalet faktisk hadde blitt sendt fra en "effektiv kilde" plassert på stedet for den første mottaker. Siden vi direkte måler det innfallende signal i den effektive kilde, vet vi kildesignaturen og kan forme den etter ønske. Dette er viktig ettersom det muliggjør to viktige trinn, stabling av flere registre formet med samme kildesignatur for å forbedre signal/støy-forholdet og evaluere ikke bare hastigheten men også dempningen av rørbølgesignalene. Således blir den virtuelle kildemetode i enkelte utførelser brukt for å implementere en fullstendig passiv versjon av RTCM uten aktive kilder nede i brønnen.

De følgende eksempler er for å demonstrere foretrukne utførelser av oppfinnelsen. Det vil imidlertid fremgå for en fagmann at teknikkene beskrevet i eksemplene som følger, representerer teknikker oppdaget av oppfinnerne som fungerer godt i praktiseringen av oppfinnelsen og således kan anses å utgjøre foretrukne praktiseringsmoduser. Imidlertid vil det fremgå for en fagmann etter å studert beskrivelsen at endringer kan foretas av de spesifikke utførelser for å oppnå like eller tilsvarende resultat uten at oppfinnelsens omfang fravikes.

Diskusjon av eksperimentoppsett

Det innledende strømsløyfeoppsett med pleksiglassrør og PVC-filtre egnet seg ikke godt for akustiske målinger på grunn av ytterst høy dempning og langsomme hastigheter. Det var heller ikke representativt for akustiske egenskaper for et felttilfelle med stålrør. Glassoppsettet brukt i gjeldende eksperimenter var en forbedring men var fremdeles utilstrekkelig på grunn av akustiske langsomme og dempede PVC-filtre som på grunn av sterke refleksjoner forurenset dataene. Selv om behandling delvis hjalp til å løse disse parasitt refleksjoner, bør skjøte av en slik form unngås og er ikke representative for et felttilfelle. Det er foretrukket å bruke et aluminiumoppsett med aluminiumytterrør og aluminiumfiltre for å oppnå raske akustiske hastigheter som er typiske for stålrør samtidig som de er lette i vekt og kan håndteres i laboratorium. For å unngå skjøtrefleksjoner, er det tilrådelig å minske antallet rørseksjoner og henge opp røret vekk fra slynger.

Akustisk tilegnelse

Akustisk tilegnelse i laboratorium bruker 24 følere med 35 cm mellomrom. For å unngå fremmedgjøring er det foretrukket å ha en føler anbrakt likt eller mindre enn en halv bølgelengde av den aktuelle bølge beregnet ved den dominerende frekvens. For pukkpakkede kompletteringer med forventede hastigheter på~700 m/s og en midtfrekvens~700 Hz, blir bølgelengden således~1 m og avstanden 0,5 meter eller mindre foretrukket. I kompletteringer uten pukkpakning, eller hvis det mistenkes fluidisering, er lave rørbølgehastigheter på~300 m/s forventet og mindre samplingsintervaller er ønskelig. Hvis en lavere frekvens kan brukes på en tilfredsstillende måte kan naturligvis samplingen økes men lavere frekvens vil ofte kunne produsere lavere spatial oppløsning.

Vi har også oppdaget at langsomme rørbølgemoduser kan eksiteres i åpne ringområder og disse bølgene kan påvises. Innenfor brønn og i ringrom, kan det således bestemmes å bruke rørbølgeregistreringer fra aktive og/eller passive kilder. Denne teknikk egner seg for eksempel til å identifisere ikke-sementerte eller delvis sementerte ringområder bak foringen i en brønn. Denne fremgangsmåte vil kunne komplementere mer konvensjonelle loggeteknikker. Videre kan passive observasjoner av disse rørbølgemodusene indikere fenomener, slik som bak foringsrør strøm eller foringsrør deformering som virker som kilder. Enkelte utførelser av oppfinnelsen omfatter følgelig overføring av et akustisk signal til fluid som akustisk kan være koblet til ringrommet og innebære at sementlaget er ufullstendig hvis det observeres en langsom, ringromsrørbølgemodus.

Referanse til tillegg

Et tillegg som omfatter null-frekvens hastighet i modeller med en eller to konsentriske rør, ble festet til hovedsøknaden hvorfra denne søknad krever prioritet, og hvis hele innhold det henvises til her.

Andre og ytterligere utførelser som bruker et eller flere aspekter ved oppfinnelsen beskrevet ovenfor, kan utarbeides uten at oppfinnelsens omfang fravikes. For eksempel kan sanntids akustiske overvåkningsteknikk beskrevet her brukes ikke bare for å overvåke sandfiltrerte og pukkpakningskompletteringer, men også andre kompletterings- og brønnapplikasjoner, slik som gjenvinningsoperasjoner. Videre kan de forskjellige fremgangsmåter og utførelser av sanntids akustisk overvåkningsfremgangsmåte være omfattet i kombinasjon med hverandre for å produsere variasjoner av de beskrevne fremgangsmåter, apparat og utførelser.

Rekkefølgen av trinnene kan oppstå i forskjellige sekvenser med mindre annet spesifikt er angitt. De forskjellige trinn beskrevet her kan kombineres med andre trinn og flettet inn i de oppgitte trinn og/eller deles opp i flere trinn. Likeledes kan elementer som har blitt beskrevet funksjonelt være omfattet som separate komponenter eller kan kombineres i komponenter som har flere funksjoner.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet i sammenheng med foretrukne og andre utførelser og ikke hver utførelse av oppfinnelsen har blitt beskrevet. Åpenbare modifikasjoner og endringer av de beskrevne utførelser er tilgjengelig for en fagmann. De beskrevne og ikke-beskrevne utførelser er ikke tenkt å begrense eller hindre omfanget eller anvendelse av oppfinnelsen som tenkt av søkerne, men snarere i samsvarighet med patentlovene. Søkerne har til hensikt fullstendig å beskytte alle slike modifikasjoner og forbedringer som faller innenfor omfanget eller området av de følgende krav.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for å overvåke fluidstrøm gjennom en innretning nede i brønnen i et borehull, omfattende: a) å tilveiebringe en akustisk rørbølge i fluid i innretningen, b) å måle den akustiske rørbølge etter at den har passert gjennom fluidet i innretningen, hvor målingene foretas ved å bruke flere følere utplassert i borehullet, og c) å krysskorrelere et signal mottatt ved en første mottaker med signaler mottatt ved andre følere for å oppnå en effektiv respons som om signalet har blitt sendt fra en kilde ved posisjonen av den første mottaker, d) å bedømme permeabiliteten av innretningen ved å måle dempningen av det akustiske signal.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat trinn d) videre omfatter å måle endringer i det akustiske signals hastighet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen er en permeabel brønninnretning og trinn d) videre omfatter å bestemme at innretningen er minst delvis plugget ved å påvise minst enten en reduksjon i dempning eller en reduksjon i hastighetstap i rørbølgen når den passerer gjennom innretningen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert vedat den videre omfatter å justere fluidegenskapene i borehullet som svar på en bestemmelse at innretningen er minst delvis plugget.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen velges fra gruppen som består av sandfiltre, pukkpakninger, pukkpakningsfiltre, trådviklede filtre, mekaniske filtre, filtre med et helt eller delvis perforert basisrør og et filtermedium anbrakt derpå og perforert foringsrør.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen er en pukkpakningsinnretning og der målingene foretatt i trinn d) indikerer pukkpakningsprosessens egenskaper.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat følerne er permanent utplassert i borehullet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat følerne er fiberoptiske følere.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat følerne blir båret på en innretning som er viklet rundt minst enten sandfiltre eller et annet rør nede i brønnen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen er en permeabel innretning nede i brønnen og trinn d) videre omfatter å bestemme at innretningen ikke er plugget ved å påvise at en hurtig rørbølge som passerer gjennom innretningen blir sinket ved lave frekvenser men akselerert ved høye frekvenser.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den videre omfatter trinnet med å bestemme den relative permeabilitet av innretningen ved å påvise et frekvensbånd med en relativt høy grad av dempning og sammenligne frekvensen av båndet med et frekvensbånd med relativt høy grad av dempning i en annen måling.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen er en permeabel innretning nede i brønnen og trinn d) videre omfatter å bestemme at innretningen ikke er plugget ved å måle en hurtig bølge og påvise en relativt sterk dempning av den hurtige bølge.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat innretningen er en permeabel innretning nede i brønnen og trinn d) videre omfatter å bestemme at innretningen ikke er plugget ved å påvise en langsom rørbølge med redusert amplitude og hastighet.

14. Fremgangsmåte for å produsere hydrokarboner fra en hydrokarbonbærende formasjonkarakterisert vedå produsere hydrokarboner gjennom en permeabel innretning nede i brønnen og overvåke strømmen gjennom innretningen ved å bruke fremgangsmåten ifølge krav 1.