NO345867B1

NO345867B1 - Overvåkning av sprekkdannelser

Info

Publication number: NO345867B1
Application number: NO20111678A
Authority: NO
Inventors: David John Hill; Magnus Mcewen-King; Patrick Tindell
Original assignee: Optasense Holdings Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2021-09-20
Also published as: RU2693087C2; US9617848B2; GB2482838B; CN102292518A; WO2010136773A2; CN104295290B; NO344980B1; RU2648743C2; AU2010252797A1; US20120063267A1; US9689254B2; US8950482B2; NO20111692A1; GB2511657A; GB2482839A; GB2483584A; US20120057432A1; GB2482838A; RU2015151868A3; BRPI1012029B1

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører overvåking av frakturering under dannelse av produksjonsbrønner, så som olje- og gassbrønner. Overvåking av de trinn som brukes ved dannelse av slike brønner og overvåking av slike brønner i bruk blir ofte referert til som nedihulls overvåking. Særlig vedrører den foreliggende oppfinnelse nedihulls overvåking ved anvendelse av distribuert akustisk avføling (distributed accoustic sensing, DAS).

Fiberoptiske sensorer er i ferd med å bli en veletablert teknologi for en rekke anvendelser, f.eks. geofysiske anvendelser. Fiberoptiske sensorer kan anta et mangfold av former, og en form som er tatt i alminnelig bruk er å anordne en spole av fiber rundt en stamme. Punktsensorer, så som geofoner eller hydrofoner, kan lages på denne måte, for å detektere akustiske og seismiske data på et punkt, og store oppstillinger av slike punktsensorer kan multiplekses sammen ved bruk av fiberoptiske forbindelseskabler, for å danne et fullt ut fiberoptisk system. Passiv multipleksing kan oppnås helt og holdent optisk, og en fordel er at det ikke er påkrevet med elektriske forbindelser, hvilket har stor fordel i strenge miljøer hvor elektrisk utstyr lett blir skadet.

Fiberoptiske sensorer har funnet anvendelse i nedihulls overvåking, og det er kjent å tilveiebringe en oppstilling av geofoner i eller rundt en brønn for å detektere seismiske signaler med det mål å bedre forstå de lokale geologiske betingelser og utvinningsprosessen. Et problem med en slik løsningsmåte er at geofoner er tilbøyelige til å være forholdsvis store, og isolasjon nede i hullet er således vanskelig. I tillegg er geofoner tilbøyelige til å ha begrenset dynamisk område.

WO 2005/033465 beskriver et system for nedihulls akustisk overvåking ved anvendelse av en fiber som har et antall av periodiske brytningsindeksperturbasjoner, for eksempel Bragg-gitre. Akustisk data hentes frem ved hjelp av partier av fiberen og brukes til å overvåke nedihulls betingelser under operasjon.

US 2009/114386 A1 beskriver en fremgangsmåte og et system for overvåking av en ledning, et borehull eller et reservoar assosiert med hydrokarbonproduksjon eller transport og / eller karbondioksidsekvestrering. Mer spesifikt beskrives det anvendelse av en optisk fiber som et distribuert interferometer som kan brukes til å overvåke ledningen, borehullet eller

reservoaret.

Frakturering er en viktig prosess under dannelse av enkelte olje- eller gassbrønner, referert til som ukonvensjonelle brønner, for å stimulere strømmen av olje eller gass fra en bergartsformasjon. Et borehull blir typisk boret til bergartsformasjonen og fôret med et fôringsrør. Utsiden av fôringsrøret kan fylles med sement, for å hindre kontaminasjon av aquifer, osv., når strømmen starter. I ukonvensjonelle brønner kan bergartsformasjonen kreve frakturering for å stimulere strømmen. Dette oppnås typisk med en to-trinns prosess med perforering fulgt av hydraulisk frakturering. Perforering involverer avfyring av en serie av perforeringsladninger, dvs. rettede sprengladninger, fra inne i fôringsrøret, som danner perforeringer gjennom fôringsrøret og sementen som strekker seg inn i bergartsformasjonen. Så snart perforeringen er fullført, fraktureres bergarten ved pumping av et fluid, så som vann, ved brønnen under høyt trykk. Dette fluidet presses derfor inn i perforeringene, og, når tilstrekkelig trykk er nådd, forårsaker frakturering av bergarten. Et fast partikkelmateriale, så som sand, blir typisk tilsatt til fluidet for å plassere seg i frakturene som er dannet og for å holde dem åpne. Et slikt fast partikkelmateriale refereres til som et proppemateriale. Brønnen kan perforeres i en serie av seksjoner, med utgangspunkt i den seksjon av brønnen som ligger lengst borte fra brønnhodet. Når en seksjon av brønnen har blitt perforert, kan den således blokkeres av en blindplugg mens den neste seksjon av brønnen perforeres og fraktureres.

Fraktureringsprosessen er et essensielt trinn i ukonvensjonell brønndannelse, og det er fraktureringsprosessen som effektivt bestemmer brønnens effektivitet. Styring og overvåking av frakturprosessen er imidlertid svært vanskelig. Mengden av fluid og proppemateriale og strømningsmengde blir generelt målt for å hjelpe til med å bestemme når tilstrekkelig frakturering kan ha funnet sted, og også for å identifisere mulige problemer i fraktureringsprosessen.

Et mulig problem, kjent som utvasking av proppemateriale, opptrer når sementen som omgir fôringsrøret har sviktet og fluidet simpelthen strømmer inn i et hulrom. Dette ødsler bort proppematerial-fluid og hindrer effektiv frakturering. En høy strømningsmengde eller brå økning i strømningsmengden kan være betegnende for utvasking av proppematerialet.

Et annet problem vedrører en situasjon som kan utvikle seg hvor mesteparten av fluidet og proppematerialet strømmer til bergartsformasjonen via én eller flere perforeringer, hvilket hindrer effektiv frakturering via andre perforeringssteder. En fraktureringsprosess gjennomføres typisk for et segment av brønnen, og, som nevnte ovenfor, flere perforeringer kan foretas langs lengden av denne brønnseksjonen, slik at den etterfølgende hydrauliske fraktureringsprosess forårsaker frakturering på et antall av forskjellige lokaliseringer langs denne seksjonen av brønnen. Under den hydrauliske fraktureringsprosess er det imidlertid mulig at bergarten på ett eller flere perforeringssteder kan frakturere lettere enn ved de gjenværende perforeringer. I dette tilfelle, kan én eller flere av frakturene som utvikler seg begynne å ta imot størstedelen av fluidet og proppematerialet, hvilket reduserer trykket på de andre perforeringsstedene. Dette kan resultere i redusert frakturering ved de andre perforeringsstedene. Øking av strømningsmengden for fluid og proppemateriale kan simpelthen føre til økt frakturering på det første perforeringsstedet, hvilket simpelthen kan utvide frakturen og ikke ha en signifikant innvirkning på hvor mye olje eller gass som mottas via denne frakturen. Redusert frakturering på de andre stedene kan imidlertid redusere mengden av olje og gass som mottas via disse steder, hvilket har negativ innvirkning på effektiviteten av brønnen som en helhet. For eksempel, anta at en seksjon av brønnen er perforert i fire forskjellige lokaliseringer for etterfølgende frakturering. Hvis tre av perforeringsstedene under fraktureringsprosessen frakturerer forholdsvis lett, så vil mer av fluidet og proppematerialet strømme til disse stedene. Dette kan hindre det fjerde fraktursted i noensinne å utvikle tilstrekkelig trykk til virksomt å frakturere, med det resultat at kun tre frakturer strekker seg inn i bergartsformasjonen for å tilveiebringe et løp for strømning. Effektiviteten av denne seksjon av brønnen er således kun 75% av det som ideelt sett ville forventes.

Hvis en slik situasjon forventes, kan ytterligere, større fast materiale tilsettes til fluidet, typisk kuler av fast materiale av en bestemt størrelse eller størrelsesområde. Størrelsen av kulene er slik at de kan strømme inn i forholdsvis store frakturer, hvor de vil bli innkapslet for å forårsake en hindring, men er store nok til ikke å komme i konflikt med forholdsvis små frakturer. På denne måte blir forholdsvis store frakturer, som kan forbruke mesteparten av frakturfluidet, delvis blokkert under den hydrauliske fraktureringsprosess, med det resultat at strømmen til alle frakturene jevnes ut.

Strømningsbetingelsene for frakturfluidet blir konvensjonelt overvåket for å forsøke å bestemme om ett eller flere fraktursteder blir dominante, og således hindrer effektiv frakturering på ett eller flere andre fraktursteder, men dette er vanskelig å gjøre og er ofte avhengig av erfaringen til brønningeniørene.

I tillegg til de problemer som er påpekt ovenfor, er kun å styre frakturprosessen for å sørge for at en ønsket utstrekning av fraktureringen har funnet sted vanskelig. Videre kan flere enn én oljebrønn være tilveiebrakt for å utvinne oljen eller gassen fra bergartsformasjonen. Ved dannelse av en ny brønn, bør frakturene ikke strekke seg inn i et område av bergartsformasjonen som allerede forsyner en eksisterende brønn, ettersom enhver strøm ved den nye brønnen fra et slikt område simpelthen kan redusere strømmen ved den eksisterende brønn. Bestemmelse av retningen og utstrekningen av frakturene er imidlertid svært vanskelig.

I tillegg til overvåking av strømningsmengden for fluidet, kan sensoravlesinger samles inn under fraktureringsprosessen fra sensorer lokalisert i en separat observasjonsbrønn og/eller på bakkenivå. Disse sensorer kan inkludere geofoner eller andre seismiske sensorer utplassert for å registrere seismiske hendelser under fraktureringsprosessen. Disse sensoravlesinger kan deretter analyseres etter fraktureringsprosessen for å forsøke å bestemme den generelle lokalisering og utstrekning av frakturering, men innebærer liten bruk av sanntids styring av fraktureringsprosessen.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe forbedrede systemer og fremgangsmåter for overvåking av nedihulls frakturering.

I henhold til et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes det en fremgangsmåte for nedihulls overvåking av hydraulisk frakturering omfattende trinn for: utspørring av en optisk fiber anordnet nede i banen for en brønnboring for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor, sampling av data fra en flerhet av langsgående partier av fiberen; og behandling av dataene for å tilveiebringe en angivelse av minst én fraktureringskarakteristikk.

Distribuert akustisk avføling (distributed acoustic sensing, DAS) innebærer en alternativ form for fiberoptisk avføling i forhold til punktsensorer, hvor en enkelt lengde av langsgående fiber utspørres optisk, vanligvis ved hjelp av én eller flere inngangspulser, for å tilveiebringe hovedsakelig kontinuerlig avføling av vibrasjonsaktivitet langs dens lengde. Optiske pulser sendes i fiberen og strålingen spredt tilbake fra inne i fiberen detekteres og analyseres. Rayleightilbakespredning blir mest vanlig detektert. Ved analysering av strålingen spredt tilbake inne i fiberen, kan fiberen effektivt deles opp i en flerhet av diskrete avfølingspartier som kan være (men ikke behøver å være) tilgrensende. Inne i hvert diskrete avfølingsparti, forårsaker mekaniske vibrasjoner av fiberen, f.eks. fra akustiske kilder, en variasjon i mengden av stråling som spres tilbake fra dette partiet. Denne variasjonen kan detekteres og analyseres og brukes til å gi et mål på intensiteten av forstyrrelse av fiberen i dette avfølingspartiet. Som brukt i dette patentskrift, vil uttrykket "distribuert akustisk sensor" bety en sensor omfattende en optisk fiber som utspørres optisk for å tilveiebringe en flerhet av diskrete akustiske avfølingspartier distribuert i lengderetningen langs fiberen, og akustisk skal bety enhver type av mekanisk vibrasjon eller trykkbølge, inkludert seismiske bølger. Fremgangsmåten kan derfor omfatte sending av en serie av optiske pulser inn i fiberen og detektering av stråling som blir Rayleigh-tilbakespredt av fiberen; og behandling av den detekterte Rayleigh-tilbakespredte stråling for å tilveiebringe en flerhet av diskrete langsgående avfølingspartier av fiberen. Merk at som her brukt er uttrykket optisk ikke begrenset til det synlige spektrum, og at optisk stråling inkluderer infrarød stråling og ultrafiolett stråling.

Den enkelte lengde av fiber er typisk singelmodusfiber, og er fortrinnsvis fri for ethvert speil, reflektorer, gitre, eller (uten enhver ekstern stimulus) enhver forandring av optiske egenskaper langs sin lengde, dvs. uten enhver designet optisk variasjon langs sin lengde. Dette tilveiebringer den fordel at en umodifisert, hovedsakelig kontinuerlig lengde av standard fiber kan brukes, hvilket krever liten eller ingen modifikasjon eller klargjøring for bruk. Et egnet DAS-system er f.eks. beskrevet i GB2442745, hvis innhold hermed innlemmes som referanse. En slik sensor kan ses som en fullstendig distribuert eller indre sensor, ettersom den bruker den indre spredning prosessert iboende i en optisk fiber, og således distribuerer avfølingsfunksjonen gjennom hele den optiske fiber.

Siden fiberen ikke har noen diskontinuiteter, blir lengden og arrangementet av fiberseksjoner korresponderende til hver kanal bestemt av utspørringen av fiberen. Disse kan velges i henhold til det fysiske arrangement av fiberen og den brønnen den overvåker, og også i henhold til typen av overvåking som er påkrevet. På denne måte, kan avstanden langs fiberen, eller dybden i tilfellet med en hovedsakelig vertikal brønn, og lengden av hver fiberseksjon, eller kanaloppløsning, med enkelhet varieres med justeringer av interrogatoren som forandrer inngangspulsbredden og inngangpulsens arbeidssyklus, uten noen forandringer av fiberen. Distribuert akustisk avføling kan operere med en langsgående fiber på 40 km eller mer i lengde, for eksempel med oppløsing av avfølte data i lengder på 10 meter. I en typisk nedihulls applikasjon, er en fiberlengde på noen få kilometer vanlig, dvs. at en fiber går langs lengden av hele borehullet og at kanaloppløsningen for de langsgående avfølingspartier av fiberen kan være i størrelsesorden 1 m eller noen få meter. Som nevnt nedenfor, den romlige oppløsning, dvs. lengden av de individuelle avfølingspartier av fiberen, og distribusjonen av kanalene kan varieres under bruk, f.eks. som respons på de detekterte signaler.

I fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, blir returene fra fiberen behandlet for å tilveiebringe en angivelse av minst én fraktureringskarakteristikk. I en DAS-sensor, så som beskrevet i GB2442745, kan behandlingen fra hver separate akustiske kanal gjøres i sanntid. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en angivelse av frakturkarakteristika i sanntid, dvs. uten noen vesentlig forsinkelse. Angivelsen av frakturkarakteristika, tilveiebrakt ved hjelp av den inneværende fremgangmåte, kan derfor brukes ved styring av fraktureringsprosessen. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse gjennomføres under den tid fluidet og proppematerialet blir presset ned brønnboringen, og tilveiebringer en sanntids angivelse av hva som skjer nede i brønnen. Dette kan tillate operatøren å justere strømningsparametere, stoppe strømmen eller tilsette ytterligere fast materiale som nødvendig, basert på angivelsen av fraktureringskarakteristikk, dvs. dataene fra DAS-sensoren. I noen utførelser kan en automatisk kontroller tilpasses til å justere strømningsparameterne automatisk basert på fraktureringskarakteristikken.

Fagpersonen vil forstå at det iboende vil være en liten forsinkelse involvert i mottaking av strålingen tilbakespredt fra den relevante seksjon av fiber, ettersom strålingen må gå tilbake fra den relevante del av fiberen hvor spredning foregår til detektoren på enden av fiberen. Videre vil det være noen små forsinkelser tilknyttet operasjonen av detektoren, sampling av dataene og behandling av dataene, for å tilveiebringe en angivelse av fraktureringskarakteristikaene. DASavføling i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan imidlertid tilveiebringe en angivelse av de akustiske forstyrrelser detektert av avfølende partier av fiberen uten noen vesentlig forsinkelse, dvs. innenfor noen få sekunder, eller et sekund, eller innenfor 500 ms, 100 ms, 10 ms eller mindre fra den faktiske forstyrrelse. Dette kan oppnås ved bruk av kommersielt tilgjengelige detektorer og prosessorer.

Angivelsen av frakturkarakteristika kan omfatte en audio-tilbakespilling av de akustiske signaler fra ett eller flere valgte avfølingspartier av fiberen lokalisert i nærheten av frakturstedene.

Den optiske fiber er fortrinnsvis lokalisert inne i brønnboringen hvor frakturering blir gjennomført. I et arrangement, går den optiske fiber langs utsiden av brønnfôringsrøret, selv om fiberen i enkelte utførelser kan være anordnet til å gå inne i fôringsrøret. Den optiske fiber kan være festet til brønnfôringsrøret idet det settes inn i brønnboringen, og, hvis den er på utsiden av fôringsrøret, deretter sementeres på plass i de seksjoner av brønnen som sementeres.

Fiberen følger derfor den generelle rute for brønnboringen og strekker seg i det minste så langt inne i brønnboringen som det område hvor fraktureringen skal finne sted. Ved frakturering av en gitt seksjon av brønnboringen, kan fiberen derfor utspørres for å tilveiebringe ett, eller fortrinnsvis en flerhet, av akustiske avfølingspartier i nærheten av fraktureringsstedet, dvs. lokaliseringen langs brønnboringen hvor frakturfluid strømmer, eller forventes å strømme, inn i bergartsformasjonen for å forårsake frakturering. Posisjonen eller lokaliseringen av avfølingspartiene av interesse bør generelt være kjent fra en kunnskap om lengden langs fiberen, og følgelig brønnen. Imidlertid, når perforering gjennomføres kan fremgangsmåten omfatte overvåking av de akustiske forstyrrelser i fiberen generert av perforeringstrinnet. De akustiske forstyrrelser under perforering kan brukes til å bestemme de partier av fiberen som korresponderer til fraktureringssteder. For eksempel, vil de partier av fiberen som oppviser den største akustiske forstyrrelsesintensitet under perforering generelt korrespondere til den lokalisering hvor perforeringsladningene ble avfyrt og følgelig til frakturstedene.

De akustiske signaler fra én eller flere relevante seksjoner av fiberen hvor frakturering forventes, kan derfor spilles på en egnet audioinnretning. Dette vil forsyne det personell som styrer frakturprosessen med hørbar tilbakemelding av hva som skjer på frakturstedet. Strømmen av fluid og proppemateriale vil danne et bakgrunnsstøy-signal og frakturer vil være transiente signaler med forholdsvis høy intensitet som vil lyde som smell for operatørene. En operatør som hører på signalene produsert av en akustisk kanal i fiberen ved siden av et individuelt perforeringssted vil derfor bli forsynt med sanntids audio-tilbakemelding av strømmen av proppematerial-fluid og enhver resulterende frakturering som opptrer på dette frakturstedet.

Det vil forstås at betingelsene nede i en dyp brønnboring kan være uvennlige og særlig være det under hydraulisk frakturering. Plassering av en spesifikk sensor nede i brønnboringen under frakturering, har derfor hittil ikke vært praktisk. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse bruker en fiberoptikk som kan være lokalisert å utsiden av brønnfôringsrøret for å tilveiebringe en nedihulls sensor i brønnboringen som blir frakturert.

Angivelsen kan også omfatte en sammenligning av intensitetsnivåene av akustiske forstyrrelser i nærheten av hver i et antall av forskjellige fraktursteder. Den gjennomsnittlige intensitet eller akustiske energi i hvert relevante avfølingsparti av fiberen kan brukes til å angi om et fraktursted opptrer signifikant forskjellige fra et annet fraktursted, eksempelvis om hvorvidt et fraktursted er forbundet med en vesentlig lavere eller høyere akustisk energi enn et annet fraktursted. Dette kan brukes til å angi om ett eller flere bestemte fraktursteder er mer eller mindre aktive enn andre fraktursteder.

Hvis en akustisk kanal i fiberen i nærheten av et fraktursted oppviser en vesentlig høyere akustisk energi enn de andre frakturstedene, kan dette være et tegn på at en større andel av proppematerial-fluidet strømmer inn i bergartsformasjonen på dette punkt. Tilsvarende, hvis et fraktursted viser en forholdsvis lav akustisk intensitet, kan dette være en angivelse av at det ikke er noen signifikant strøm av proppematerial-fluid inn i bergartsformasjonen. De relative akustiske intensiteter kan således brukes til å angi at ett eller flere fraktursteder forbruker mer av proppematerial-fluidet og/eller at ett eller flere av frakturstedene er forholdsvis inaktive.

Denne informasjonen kan brukes av det personell som styrer fraktureringsprosessen for å modifisere strømningsbetingelsene for proppematerialet. Strømningsmengden kan f.eks. varieres, eller fast materiale, så som kuler av en bestemt størrelse, kan tilsettes til strømmen for delvis å blokkere et dominerende fraktursted, som omtalt ovenfor. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en pålitelig metode for bestemmelse av når ett eller flere fraktursteder forbruker mesteparten av proppematerialet, hvilket tillater operatøren for prosessen å foreta eventuelle nødvendige forandringer. Fremgangsmåten tilveiebringer videre sanntids tilbakemelding av om hvorvidt forandringer foretatt av en operatør er virksomme, f.eks. for å forbedre frakturering eller jevne ut frakturering mellom flere fraktureringssteder. Som beskrevet ovenfor, kuler av fast materiale kan tilsettes til fraktureringsfluidet for delvis å blokkere et dominerende fraktursted. Valg av den korrekte størrelse eller rekke av størrelser av materiale er viktig for å sørge for at den dominerende fraktur delvis blokkeres, mens de andre frakturene ikke blir signifikant hemmet. Valg av størrelse av materiale som skal tilsettes og mengde av materiale som skal tilsettes kan i stor grad være gjetting. Ved bruk av fremgangmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan imidlertid ytterligere fast materiale tilsettes i trinn, idet forskjellige størrelser tilsettes i forskjellige trinn, og effektene på den akustiske intensitet på hvert av frakturstedene overvåkes i sanntid.

Den akustiske informasjon kan vises som en sanntids graf over akustisk energi, dvs. intensitet, for hver av de separate akustiske kanaler som overvåkes. Dette forsyner en operatør med en visuell angivelse av den relevante aktivitet for hvert fraktursted. Andre midler for synlig vising av dataene kan også anvendes.

Fremgangsmåten kan involvere oppdeling av dataene fra de langsgående avfølingspartier av fiberen i ett eller flere spektralbånd. Med andre ord, dataene kan filtreres for å inkludere kun akustiske forstyrrelser med en frekvens innenfor frekvensområdet for det bestemte spektralbånd. Analysering av dataene, ved hjelp av spektralbånd, kan klarere vise den akustiske forskjell mellom forskjellige kanaler ved frakturstedene. Ettersom fluidstrømmen av proppematerialet er en høytrykks strøm av fluid inneholdende et partikkelmateriale, er den iboende en støyende prosess, og det vil være et mangfold av akustiske responser på grunn av strømmen inne i fôringsrøret. Strøm inn i en formasjon kan forbindes med en bestemt frekvenskarakteristikk, og differansen mellom strømmene kan således lettere skjelnes ved ett eller flere bestemte spektralbånd.

Som nevnt ovenfor, er det hydrauliske fraktureringstrinn iboende en svært støyende prosess. Bruken av en akustisk sensor inne i brønnboringen hvor fraktureringen opptrer, for å tilveiebringe meningsfull informasjon vedrørende fraktureringen som opptrer, er således overraskende, og bruken av en distribuert akustisk sensor nede i hullet i en brønnboring, hvor hydraulisk frakturering blir gjennomført for å tilveiebringe nyttig informasjon om fraktureringsprosessen, dvs. informasjon som kan brukes til merkbart å modifisere prosessen, representerer et annet aspekt av oppfinnelsen.

I enkelte tilfeller kan spektralbåndet av størst interesse være kjent på forhånd. I andre tilfeller, kan imidlertid brønnens dynamikk og dynamikken for fraktureringsprosessen alle sammen influere på spektralresponsen. I enkelte utførelser, kan fremgangsmåten derfor omfatte oppdeling av de akustiske forstyrrelser fra de relevante avfølingspartier av fiberen i en flerhet av spektralbånd, som hver kan vises til operatørene. De forskjellige spektralbånd kan vises samtidig eller sekvensielt til en operatør, eller operatøren kan velge hvilket av spektralbåndene som skal vises.

Spektralbåndene kan behandles for automatisk å detektere et spektralbånd av interesse. For eksempel, kan dataene for hvert spektralbånd behandles for å detektere tilstedeværelsen av signifikante lokale maksima av gjennomsnitts-energi som kan være indikative for det akustiske signal fra proppematerialet og fluid som strømmer inn i perforeringsstedet. Behandlingen kan innskrenkes basert på kunnskap om de akustiske signaler som korresponderer til perforeringsstedene, f.eks. som forhåndsbestemt basert på kunnskap om fiberen, som valgt av en operatør eller som bestemt av målinger under avfyring av perforeringsladningene. Med andre ord, spektralbåndene kan analyseres for å bestemme et spektralbånd hvor energien i kanalene korresponderende til perforeringsstedene er signifikant høyere enn energien i andre nærliggende kanaler. Spektralbåndene kan også analyseres for å detektere ethvert spektralbånd hvor den akustiske energi i én eller flere kanaler korresponderende til et perforeringssted er signifikant lavere enn den akustiske energi på ett eller flere andre perforeringssteder. De relevante spektralbånd kan vises eller fremheves for en operatør.

Fremgangsmåten kan også omfatte overvåking av den relevante akustiske energi for kanalene korresponderende til perforeringsstedene over tid, f.eks. for å bestemme om det momentane gjennomsnitt i enhver relevant kanal forandres signifikant og/eller om de relative energier i kanalene korresponderende til perforeringsstedene varierer. Hvis de akustiske energinivåer forandres signifikant, f.eks. hvis den gjennomsnittlige intensitet av en bestemt kanal korresponderende til et perforeringssted gjennomgår et plutselig hopp eller hvis de relative intensiteter av to kanaler korresponderende til forskjellige perforeringssteder divergerer utover en viss terskel, kan prosessen generere av en alarm for en operatør, f.eks. en synlig og/eller hørbar alarm.

I enkelte utførelser kan frekvens- og/eller intensitetssignalene fra de kanaler som er lokalisert ved perforeringsstedene analyseres for å bestemme karakteristika for frakturen. Som nevnt ovenfor, de mekaniske forstyrrelser som oppleves av de akustiske kanaler på grunn av strøm av fraktureringsfluidet inn i bergartsformasjonen via perforeringsstedet kan omfatte en frekvenskomponent som kan være avhengig av den relative størrelse av perforeringen og den inneværende frakturstørrelse. Således, ved å analysere frekvensen eller de frekvenser hvor de akustiske signaler overveiende skyldes strøm av fluid inn i frakturen, kan man trekke slutning om den relative størrelse av frakturen.

Historiske data fra tidligere fraktureringsprosesser kan samles inn og analyseres for å hjelpe til med estimering av frakturegenskaper. For eksempel, som beskrevet ovenfor, fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan bestemme den effekt som tilsetting av fast materiale av en bestemt størrelse har på strømmen av frakturfluid til en flerhet av forskjellige frakturer. Fremgangsmåten kan derfor omfatte registrering av dataene fra i det minste den eller de akustiske kanaler i nærheten av frakturstedene for senere analyse. Selv om sanntids tilbakemelding til operatøren er nyttig, kan det utføres ytterligere analyse for å forbedre tilbakemeldingen tilgjengelig i fremtidige fraktureringsprosesser. Den foreliggende oppfinnelse vedrører også analyse av de historiske data for å identifisere frakturkarakteristika.

For eksempel, eksaminering av de akustiske responser for å se hvordan signalene ble forandret når fast materiale av en bestemt størrelse ble tilsatt, tillater bestemmelse av noen generelle dimensjoner av en fraktur. Hvis kuler av diameter D1 som blir tilsatt til fluidet ikke signifikant bevirker den akustiske respons for en bestemt fraktur, mens kuler av en mindre diameter D2 synes å påvirke strømmen inn i frakturen, kan det trekkes slutning om at den relevante fraktur har en generell dimensjon noe mellom D1 og D2 (muligens justert for å ta hensyn til kompressibilitet av materialet i kulene). De akustiske responser for frakturer med visse størrelsesområder kan derfor analyseres. For eksempel, kan en akustisk kanal som er lokalisert ved en fraktur som responderer på kuler av størrelse D2, men ikke størrelse D1, oppvise en streng-spektralkomponent i et første område, men simpelthen kan vise bakgrunnsstøy i et annet spektralområde. En akustisk kanal som er lokalisert ved et forskjellig fraktursted, som ikke oppviser noen signifikant forandring i signal når kuler av størrelse D1 eller D2 tilsettes (og således kan antas å være mindre i en dimensjon), kan oppvise ingen signifikante komponenter i det første spektralområde, men kan oppvise en signifikant komponent i det annet spektralområde. Hvis disse dataene bestemmes for en bestemt bergartsformasjon, la oss da si at den kan anvendes på en ny fraktureringsprosess gjennomført i den samme bergartsformasjon. For eksempel, kan sanntids analyse av spektralresponsen for de akustiske kanaler under en fraktureringsprosess brukes til å trekke slutning om en størrelse av frakturen. Angivelsen presentert til en operatør kan inkludere en angivelse av størrelsen av frakturer - som f.eks. kan være nyttig for styring av strømningsparametere, og, hvis nødvendig, ved valg av en passende størrelse av fast materiale som skal tilsettes til fluidet.

Angivelsen av minst én frakturkarakteristikk kan omfatte en angivelse av transienter, særlig transienter med forholdsvis høy frekvens, i det akustiske signal. Frakturhendelser av interesse er av en tydelig forskjellig karakter fra den kontinuerlige strøm-støy forårsaket av høytrykks innstrømming av vann og sand under fraktureringsprosessen. Generelt karakteriseres de ved å være korte og impulsive hendelser - heretter referert til som transiente hendelser. Fremgangsmåten kan omfatte detektering av slike transienter for å klassifisere fraktureringen. For eksempel, kan fremgangsmåten omfatte implementering av en teknikk som ser på korttids-variasjoner bort fra de midlere variable nivåer (den transiente detektor) for å trekke disse hendelser ut fra bakgrunnsstøy og langperiodisk støy. Fremgangsmåten kan også bruke karakteristikaene fra kjente frakturhendelser til å identifisere frakturhendelsene. Karakteristikaene for de kjente fraktureringshendelser kan ta hensyn til typen av bergartsformasjon som blir frakturert, dvs. fremgangsmåten kan se etter akustiske "signaturer" tilknyttet frakturering som generelt forekommer, og disse signaturer kan variere i henhold til typen av bergartsformasjon.

Fremgangsmåten kan omfatte angivelse av antallet av transienter som har blitt detektert og/eller raten av transient-forekomst. Ettersom transientene er indikative for frakturering, og prosessen er ment å frakturere bergarten for å tilveiebringe strømningsløp, kan et høyere antall av transienter være betegnende for at fraktureringsprosessen går godt. Antallet og/eller raten av transienter tilveiebringer derfor angivelse av fraktureringskarakteristikken. Antallet/raten av transienter kan formidles til operatøren for fraktureringsprosessen, og kan brukes til å bestemme om hvorvidt parameteren for fraktureringsprosessen skal justeres. Dette kan ta hensyn til typen av bergartsformasjon som blir frakturert. Noen bergartsformasjoner kan frakturere forholdsvis enkelt, og et forholdsvis høyt antall av fraktureringshendelser med forholdsvis lav intensitet, dvs. transienter, kan derfor forventes ved en forholdsvis høy rate. Andre bergartsformasjoner kan frakturere mindre lett, og kan således resultere de forholdsvis færre og mindre hyppige, men mer intense, frakturhendelser, og følgelig transienter. Ettersom typen av bergartsformasjon vil ha blitt vurdert før dannelse av brønnen, kan antallet og/eller raten av detekterte transienter sammenlignes med et forventet antall/rate.

Intensiteten av de transiente signaler kan også detekteres. Intensiteten av den akustiske transient kan relateres til energien i frakturhendelsen. Intensiteten kan også relateres til utstrekningen av den resulterende fraktur, dvs. hvor lang den resulterende fraktur er. Å kjenne hvor langt frakturen forplanter seg kan være viktig informasjon.

Fremgangsmåten kan også omfatte identifisering av en serie av beslektede transienter, som f.eks. kan være indikative for en fraktureringshendelse av forholdsvis høy størrelse. Varigheten av en transient og/eller en serie av transienter kan også tilveiebringe en angivelse av størrelsen av hendelsen.

Det er klart at de seismiske bølger generert av frakturhendelsen dempes idet de passerer gjennom bergarten, og signaler mottatt ved fiberen fra frakturhendelser som er lenger bort vil således bli mer dempet. Fremgangsmåten kan således involvere bestemmelse av en generell lokalisering eller i det minste et område for frakturhendelsen, slik at graden av demping kan tas hensyn til. For eksempel, kan ankomsttiden for en bestemt transienthendelse ved forskjellige avfølingspartier av fiberen brukes til å estimere en veilengdedifferanse fra opprinnelsen for transienten til den forskjellige seksjon av fiber. Dette kan brukes til å estimere en avstand til opprinnelsen av frakturhendelsen ved bruk av teknikker av multilaterasjons-typen. Andre teknikker for lokalisering av oppfinnelsen av frakturhendelsen vil bli beskrevet i nærmere detalj nedenfor.

Evolusjonen av transientsignalet kan analyseres, dvs. varigheten, stigetiden og falletiden for transienten, for å bestemme typen av frakturhendelse. Forskjellige typer av fraktur kan ha forskjellige karakteristika. For eksempel, kan noen frakturer omfatte en hendelse av knusende type, mens andre kan omfatte en splitting av strata i bergarten. Energiinnholdet og/eller signalevolusjonen kan være forskjellig for forskjellige typer av fraktur.

Frekvenskarakteristikaene for de detekterte transienter kan også analyseres, f.eks. for å bestemme generell frekvens for transienten, dvs. frekvensen for maksimum intensitet. Spredningen av frekvenser i transientsignalet kan også analyseres. For eksempel, kan en transient hvor energien er konsentrert i ett eller flere smale frekvensområder angi en forskjellig type av fraktureringshendelse i forhold til en transient hvor energien er spredt over et forholdsvis bredt område av frekvenser. Fremgangsmåten kan også omfatte analysering av den relative intensitet i forskjellige frekvensbånd, dvs. frekvensspredningen for den akustiske energi.

Som nevnt, kan den generelle frekvens eller dominerende frekvenser for transienten tilveiebringe en angivelse av energien og/eller typen av fraktur.

Frakturer med høyere energi kan i noen typer av bergarter føre til transienter med høy frekvens. Frakturer som resulterer i en enkelt fraktur, kan ha én eller flere frekvensspisser ved definerte frekvenser, mens frakturer av knuse-typen kan ha en større frekvensspredning. Frekvenskarakteristikaene for transientene kan således tilveiebringe fraktureringskarakteristikken.

Igjen vil det tas av notam at avstanden til frakturen fra fiberen kan påvirke frekvenskomponenten i den detekterte transient, ettersom forskjellige frekvenser dempes i forskjellige omfang. En angivelse av lokaliseringen av frakturhendelsen kan således tas hensyn til, f.eks. ved vekting av transienthendelsen med frekvensavhengige vektinger basert på deres estimerte avstand fra fiberen.

Fremgangsmåten kan derfor omfatte å vise til en operatør, data vedrørende antall, rate, intensitet, signalevolusjon, frekvens og/eller frekvensspredning for transienthendelser, som en angivelse av fraktureringskarakteristikk. Fremgangsmåten kan involvere tilveiebringelse av en resulterende angivelse av antallet og/eller raten av frakturer, størrelsen eller intensiteten av frakturhendelsen, en angivelse typen av frakturhendelse og/eller, som det vil bli beskrevet nedenfor, en angivelse av frakturtettheten og/eller et frakturkart.

Denne informasjonen kan brukes til å styre fraktureringsprosessen.

Strømningsparameterne kan forandres hvis de detekterte transienter ikke opptrer i en ønsket rate eller med en ønsket intensitet, eller hvis transientkarakteristikaene ikke stemmer overens med en foretrukket fraktureringstype. Ettersom installasjonen kan tilveiebringes i sanntid kan prosessparameterne justeres i en tilbakemeldingssløyfe for å bestemme om hvorvidt forandring av strømningsparameterne forbedrer fraktureringsprosessen eller ikke. For eksempel kan strømningsraten forandres for å bestemme om det er en konsekvent forandring i fraktureringsrate eller typen av frakturering som opptrer.

Som nevnt, kan fremgangsmåten omfatte analysering av transientene for ett eller flere spesifikke karakteristika for kjente frakturtyper eller som er indikative for fortrukne fraktureringskarakteristika. Data samlet inn under fraktureringsprosessen, så vel som tilveiebringelse av nytting sanntids tilbakemelding, kan også holdes tilbake for videre analyse. Disse dataene kan også analyseres med andre data samlet inn under andre fraktureringsprosesser for å detektere eventuelt fellesskap under fraktureringsprosessen. De lagrede data kan inkludere ikke bare de akustiske data, men også data vedrørende bergartstypen, strømningsbetingelser, osv. De innsamlede data kan også korreleres med etterfølgende produksjon for å identifisere karakteristika for transientene som kan tilknyttes god produksjon.

Det skal tas ad notam at DAS-sensoren som anvendes nede i hullet kan, etter frakturering, også anvendes som et innstrømmings-overvåkingssystem under faktisk produksjon fra brønnen. På denne måte kan strømmen av olje/gass inn i brønnen overvåkes, og den relative strømming fra hvert forskjellig fraktureringssted kan anslås. Måling av den samlede strøm på toppen av brønnen er indikativ for den samlede fraktureringsprosess for hele brønnen. Ved å bruke DAS-sensoren, kan imidlertid det relative bidrag fra hvert fraktureringssted eller samling av steder anslås.

Det kan derfor være mulig å korrelere bestemte typer av transienter, særlig bergartsformasjoner, med produksjonskarakteristika med godt resultat. En foretrukket type av transient for én bestemt bergartsformasjon, og de karakteristika som er tilknyttet denne transienten, kan således identifiseres.

På denne måte kan deteksjonen av transientkarakteristika under en fraktureringsprosess brukes til å angi hvor effektiv fraktureringen er. Denne innformasjonen kan være nyttig for styring av fraktureringsprosessen. For eksempel, hvis transientkarakteristikaene stemmer overens med de som, for den bestemte bergartsformasjon, typisk fører til god produksjon, kan det være at fraktureringsprosessen ikke behøver å fortsette så lenge som hvis transientkarakteristikaene er indikative for mindre god etterfølgende produksjon.

Mange olje/gass-brønner er lokalisert i fjerntliggende lokaliseringer. Transportering av mengden av proppemateriale påkrevet for frakturering er en betydelig kostnad. Hvis mengden av påkrevet proppemateriale kan reduseres vesentlig, uten tap i produksjon for den resulterende brønn, kan dette representere en betydelig besparelse. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan anvendes til å overvåke frakturprosessen, og, ved å forsyne operatøren med transientkarakteristika, kan tillate en operatør å bestemme når det er best å avslutte prosessen - dette reduserer spill av proppemateriale.

Operatøren kan videre være i stand til å justere strømningsparameterne for å endre karakteristikaene for transientene (og følgelig frakturene) for bedre å ligne karakteristika som typisk fører til god produksjon i denne typen av bergartsformasjon. Med andre ord, operatøren kan justere strømningsegenskapene og bestemme effekten på transientkarakteristikaene for å produsere transienter som har de ønskede karakteristika. På denne måte kan prosessen styres for å forbedre den resulterende produksjon.

Som nevnt ovenfor, kan fremgangsmåten også omfatte bestemmelse av retningen av opprinnelsen for transienten, dvs. retningen til lokaliseringen av den frakturhendelse som genererte transienten. Fremgangsmåten kan også omfatte bestemmelse av en avstand til opprinnelsen for transienten.

Retningen til lokaliseringen av frakturhendelsen kan bestemmes ved sammenligning av ankomsttiden for den seismiske forstyrrelse ved forskjellige ulike lokaliseringer, f.eks. ved å anvende multilaterasjons-teknikker. Avstanden til frakturhendelsen kan også bestemmes ved måling av ankomsttiden for transientsignalet ved forskjellige seksjoner av fiberen og en verdi for forplantningshastigheten for seismiske bølger gjennom bergartsformasjonen - hvilket kan måles eller estimeres. Avhengig av banen til brønnboringen, kan de forskjellige lokaliseringer være forskjellige lokaliseringer langs brønnboringen. Imidlertid, hvis brønnboringen generelt er rett, så som en vertikal brønn, eller generelt ligger i et enkelt plan, så som har en vertikal sjakt fra overflaten og en rett horisontal undergrunnsseksjon, kan anvendelse av data fra nedihulls-DAS-en alene resultere i noe posisjonsmessig ubestemthet.

Fremgangsmåten kan derfor omfatte anvendelse av data fra minst én annen sensor i en annen lokalisering. Den minst ene ytterligere sensor kan omfatte en annen fiberoptisk distribuert akustisk sensor, f.eks. en DAS-sensor som er plassert i en allerede eksisterende brønn i det omgivende område og/eller en DAS-sensor i et observasjonsborehull boret nærliggende og/eller en DAS-sensor anordnet ved eller nær overflaten av det generelle område, så som nedgravd i en grøft. Kombinasjonen av data fra mange forskjellige sensorer i forskjellige lokaliseringer kan tillate bestemmelse av opprinnelsespunktet, eller i det minste det generelle opprinnelsesområde, for frakturhendelsen. Dette kan brukes til å bestemme utstrekningen av frakturen og til å styre frakturprosessen.

For eksempel, betrakt den situasjon hvor det finnes en eksisterende vertikal brønn, og den antas å ha frakturer som strekker seg radialt bort fra brønnboringen over en avstand F (f.eks. som bestemt ved etterbehandling av seismiske data fra et observasjonsborehull). En ny vertikal brønn, bores i en avstand D bort fra den første brønnen, med D litt større enn 2F. Den nye brønnboringen, som inkluderer en første fiberoptikk for DAS, blir deretter perforert horisontalt, og hydraulisk frakturering gjennomføres. Hvis den eksisterende brønnen også omfatter en fiberoptikk egnet for DAS, en annen DAS-sensor, kan den hydrauliske frakturering gjennomføres og strømningsparameterne justeres basert på signaler fra den første DAS på den måte som er beskrevet ovenfor. I tillegg, kan imidlertid resultatene fra både den første og annen DAS-sensor analyseres for å detektere transienter som kan være frakturhendelser, og for å detektere de samme transienter i returene fra begge fibere, f.eks. for å se etter akustiske forstyrrelser ved den samme frekvens og med den samme generelle intensitetsprofil. Hvis noen slike signaler identifiseres kan ankomsttiden ved hver fiber bestemmes. Initialt, ettersom frakturhendelsene vil være mye nærmere den nye brønnen, vil ankomsttiden ved den første DAS være før ankomsttiden ved den annen DAS. Ettersom frakturprosessen fortsetter, vil imidlertid, for enhver frakturering som opptrer i den generelle retning av den eksisterende brønn, differansen i ankomsttid for de to DAS-sensorer minke. Så snart et signal detekteres, hvilket ankommer ved den første DAS ved nesten den samme tid som det gjør ved den annen DAS, kan dette tas til å bety at frakturhendelsen er nesten så nær den eksisterende brønn som den er til den nye brønnen. På dette punkt, kan fraktureringsprosessen stoppes for å hindre de nye frakturene i å strekke seg fra inn i området for den eksisterende brønn.

Det ovenstående eksempel er et svært enkelt eksempel, og det vil være åpenbart at frakturhendelsen kanskje ikke har forekommet på den direkte linje som forbinder de to brønner. En ytterligere sensor i et observasjonsborehull forskjøvet fra linjen som forbinder de to brønner ville tillate bedre diskriminering for den faktiske posisjon. Det vil imidlertid tas ad notam at én av DAS-sensorene kan være anordnet i den brønnboring hvor frakturprosessen blir gjennomført, og at en annen DAS-sensor kan være anordnet i en eksisterende brønn. Fiberoptikken for denne DAS-sensor kan ha blitt innleiret på utsiden av brønnfôringsrøret når den eksisterende brønn ble dannet. Det vil derfor være åpenbart at DAS-sensoren allerede kan være på plass, og ikke trenger boring av et spesielt observasjonsborehull. Videre kan DAS-sensoren for den eksisterende brønn brukes uten at det er nødvendig å stanse produksjonen i den første brønnen. En fremgangsmåte for bruk av DAS-sensorer i flere brønnboringer for frakturkartlegging representerer et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse. Således tilveiebringes det i et annet aspekt en fremgangsmåte for frakturkartlegging under en hydraulisk fraktureringsprosess omfattende et trinn med mottaking av data fra en flerhet av fiberoptikkdistribuerte akustiske sensorer i en flerhet av brønnboringer under en hydraulisk fraktur og behandling av dataene for å detektere akustiske forstyrrelser som oppstår fra en frakturhendelse som ankommer ved hver av de distribuerte akustiske sensorer og anvendelse av ankomsttiden ved hver av de distribuerte akustiske sensorer til å bestemme lokaliseringen av oppfinnelsen av frakturhendelsen.

Det vises tilbake til fremgangsmåten for overvåking av frakturprosessen, idet angivelsen av minst én frakturkarakteristikk også kan omfatte den angivelse av utvasking av proppemateriale. Som nevnt ovenfor, kan utvasking av proppemateriale forekomme der hvor frakturfluid finner et annet strømningsløp enn til de relevante fraktursteder, f.eks. inn i et hulrom inne i bergartsformasjonen eller forårsaket av feil i sementfôringsrøret. Som det har blitt beskrevet ovenfor, i en normal fraktureringsprosess strømmer fluidet inn i bergartsformasjonen via perforeringsstedene via frakturene forårsaket på denne måte. Oppstrøms for fraktureringsstedene vil strømmen av fluid og proppemateriale danne akustiske forstyrrelser, men karakteristikaene for forstyrrelsene vil være forskjellige. Hvis den del av fôringsrøret feiler oppstrøms for perforeringsstedene, vil dette frembringe et signifikant akustisk signal ved lokaliseringen for feilen - på grunn av strømmen inn i bergartsformasjonen på dette punkt. Videre vil det reduserte trykk nedstrøms for feilpunktet også være detekterbart. Fremgangsmåten kan således omfatte analysering av signalreturer fra avfølingspartier av fiberen langs lengden av brønnboringen, for å detektere eventuelle signifikante signaler som er indikative for utvasking. Hvis et slikt signal detekteres, kan operatøren varsles og/ i enkelte utførelser kan videre strømming stoppes automatisk.

Så vel som detektering av utvasking av proppemateriale under fraktureringsprosessen kan fremgangsmåten omfatte et trinn med identifisering av eventuelle mulige punkter for feil i fôringsrøret og/eller omgivende sement før trinnet med hydraulisk frakturering. Som nevnt ovenfor, kan DAS-sensoren opereres under avfyring av perforeringsladningene. Avfyring av perforeringsladningene vil danne en forholdsvis intens serie av akustiske pulser som effektivt vil akustisk eksitere brønnboringen. Som nevnt ovenfor, kan den optiske fiber innleires i sementen som omgir fôringsrøret. Vibrasjonene overført til en optisk fiber vil derfor delvis avhenge av karakteren av fôringsrøret og den omgivende sement. På et sted hvor sementen og fôringsrøret er faste, kan avfølingspartiene av fiberen oppleve en første type av respons. Imidlertid, i eventuelle områder hvor fôringsrøret og/eller den omgivende sement har feilet, vil den akustiske respons variere. Fremgangsmåten kan således omfatte fremskaffelse av en akustisk profil for brønnboringen før hydraulisk frakturering og analysering av profilen for å detektere eventuelle anomalier som kan angi områder med feil. I enkelte utførelser kan den akustiske profil fremskaffes under eksitasjonen på grunn av avfyring av perforeringsladningene. En akustisk profil kan imidlertid i tillegg eller alternativt fremskaffes på grunn av andre eksitasjoner, så som verktøy som blir innsatt i eller trukket ut fra brønnboringen, og/eller en akustisk bakgrunnsprofil som respons på omgivelsesstøy kan fremskaffes og analyseres.

Oppfinnelsen vedrører også et system for nedihulls overvåking, idet systemet omfatter: en fiberoptisk interrogator tilpasset til å tilveiebringe distribuert akustisk avføling på en optisk fiber anordnet langs banen for en brønnboring; en sampler anordnet til å sample en flerhet av kanalutganger fra interrogatoren for å tilveiebringe akustiske data fra en flerhet av partier av fiberen ved hver av en flerhet av tider; og en dataanalysator tilpasset til å behandle de samplede data for å detektere frakturkarakteristika og tilveiebringe angivelser av frakturkarakteristikaene.

Systemet ifølge foreliggende oppfinnelse innebærer alle de samme fordeler, og kan implementeres med alle utførelsene av oppfinnelsen som beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en prosessor, et datamaskinprogram og/eller et datamaskinprogramprodukt for utførelse av enhver av de fremgangsmåter som her er beskrevet og/eller for å gi konkret form til ethvert av de apparattrekk som her er beskrevet, og et datamaskinlesbart medium som har lagret derpå et program for utførelse av enhver av de fremgangsmåter som her er beskrevet og/eller for å gi konkret form til ethvert av de apparattrekk som her er beskrevet.

Oppfinnelsen strekker seg til fremgangsmåter, apparater og/eller anvendelse hovedsakelig som her beskrevet med henvisning til de ledsagende tegninger.

I ethvert trekk i et aspekt av oppfinnelsen kan anvendes på andre aspekter av oppfinnelsen, i enhver passende kombinasjon. Særlig kan fremgangsmåteaspekter anvendes på apparataspekter, og omvendt.

Videre, trekk som er implementert i maskinvarer kan generelt implementeres til programvare, og omvendt. Enhver referanse til programvare- og maskinvaretrekk heri skal fortolkes i henhold til dette.

Foretrukne trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, utelukkende som eksempel, med henvisning til de ledsagende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser apparatur for overvåking av en brønn ved bruk av DAS;

Fig. 2 illustrerer utgangen fra systemet på fig.1;

Fig. 3 er en skjematisk representasjon av en perforeringshendelse som overvåket av en utførelse av den foreliggende oppfinnelse;

Fig. 4 illustrerer seismisk deteksjons- og parameteriseringstrinn for frakturovervåking;

Fig. 5 viser resultatene av innstrømmingsovervåking som har blitt forbedret ved bruk av varians-statistikk;

Figurene 6a og 6b illustrerer trinn i en hydraulisk fraktureringsprosess; Figurene 7a og 7b illustrerer signalreturer som kan fremskaffes under en hydraulisk fraktureringsprosess; og

Fig. 8 illustrerer prinsippet med detektering av frakturhendelser i flere lokaliseringer.

En fiberoptisk kabel 102 er inkludert langs banen for en brønn, som i det foreliggende eksempel er en gassbrønn, og som kan være på land eller til havs. Brønnen er dannet i det minste delvis av et metallisk produksjons-fôringsrør 104 innsatt i et borehull 106, idet rommet mellom den ytre vegg av fôringsrøret og hullet i det foreliggende eksempel er tilbakefylt med sement 108. Produksjonsfôringsrøret kan være dannet av flere sammenføyde seksjoner, og i visse tilfeller vil seksjonene har forskjellige diametre. På denne måte er fôringsrørets diameter i stand til å smalne gradvis av mot bunnen av brønnen. Som det kan ses på fig.1, i dette eksempel passerer fiberen gjennom sement-tilbakefyllingen, og er faktisk klemt fast til utsiden av det metalliske fôringsrør. Det har blitt funnet at en optisk fiber som er fastholdt, f.eks. i dette tilfelle ved at den passerer gjennom sementtilbakefyllingen, oppviser en forskjellig akustisk respons på visse hendelser sammenlignet med en fiber som ikke er fastholdt. En optisk fiber som er fastholdt kan gi en bedre respons enn én som ikke er fastholdt, og det kan således være fordelaktig å sørge for at fiberen er fastholdt av sementen. Forskjellen i respons mellom fastholdt og ikke fastholdt fiber kan også brukes som en indikator på skade på sementen, hvilket kan være fordelaktig, og vil bli beskrevet senere.

Fiberen rager ut fra brønnhodet og er forbundet til interrogator/prosessorenhet 112. Interrogatorenheten sender lys inn i fiberen og avføler stråling tilbakespredt fra langs lengden av fiberen. Den bestemte form av inngangslys og sampling/behandlingsevne for enheten tillater samtidig utgang av flere datakanaler, idet hver kanal korresponderer til akustiske data avfølt langs en bestemt seksjon av fiberen i en bestemt avstand langs fiberen. Selv om interrogator prosessor-enheten her er vist som en enkelt gjenstand, kan maskinvare deles mellom f.eks. en interrogatorboks som tilveiebringer rådatautgang, og som mater en PC eller en transportabel datamaskin for å tilveiebringe databehandlingsevnen.

Et eksempel på typen av mulig datautgang fra arrangementet på fig.1 er vist på fig.2. Her vises kanalnummeret (og følgelig dybde for hovedsakelig vertikale brønner) langs y-asken, idet null representerer kanalen nærmest overflaten. Fire kanaler er vist. Tiden vises langs x-aksen som rammenummer, for å tilveiebringe et "vannfall"-plott som kontinuerlig oppfriskes ettersom nye data blir tilgjengelige. Detektert energiintensitet er vist som farge eller gråskala i det øvre plott 202, ved anvendelse av en skala vist på høyre side, for å tilveiebringe en 2D visualisering av den akustiske energifordeling langs hele den avfølte lengde av fiberen ved hver av seriene av tidspunkter. Det sentrale plott 204 viser de samme data etter at de har gjennomgått transient deteksjon, hvilket vil bli forklart i nærmere detalj nedenfor, og det nedre plott 206 viser frekvensen for de detekterte transienter i henhold til skalaen til høyre for plottet. Arrangementet er slik at dataene er tilgjengelige fra alle kanaler ved hver samplingsperiode. I det midtre 204 og nedre plott 206, representeres dybde fra 0 til 4000 m på y-aksen, med tid fra 0 til 10000 s på x-aksen.

Det foreslås å bruke systemet beskrevet ovenfor for å overvåke forskjellige nedihullshendelser relatert til frakturering, inkludert perforering, setting av blindplugg og/eller pakning, frakturering, utvasking av proppemateriale og fluidstrøm. I tillegg kan systemet omfatte generell tilstandsovervåking, og, i enkelte arrangementer, kan det også tillate kommunikasjon med nedihullssensorer.

I en utvinningsprosess for såkalte ukonvensjonelle brønner, så snart brønnen har blitt boret og et fôringsrør installert (ved én eller flere fibere anordnet langs banen for brønnen) perforeres brønnen for å tillate at inntrenging av gass, eller fluid, så som olje eller vann, blir trukket ut. Dette oppnås i alminnelighet ved bruk av rettede sprengladninger som senkes inn i brønnen i en "kanon" og avfyres på en ønsket dybde og i en ønsket orientering. Ladningen gjennomhuller fôringsrøret og bryter i stykker den tilgrensende bergart (og ethvert fyllmateriale, så som sement, hvis det er tilstede). Fig.6a illustrerer en seksjon av brønnboring hvor de forskjellige komponenter i brønnboringen er illustrert ved bruk av den samme nummerering som beskrevet ovenfor med henblikk på fig.1. Fig.6a illustrerer at perforeringsladninger på forskjellige dybder har blitt avfyrt for å danne perforeringer 601, 602 og 603 gjennom fôringsrøret 104 og sementen 108 inn i den omgivende bergartsformasjon. Det vil selvsagt forstås at perforeringsladningene kan anordnes til å avfyres i forskjellige retninger inn i bergartsformasjonen, for klarhets skyld er imidlertid alle perforeringer illustrert i den samme generelle retning. Ved orientering av perforeringsladningene for avfyring, bør man være påpasselig med ikke å avfyre perforeringsladningen ved den optiske fiber 102. Dette kan oppnås ved å sørge for at brønnfôringsrøret i nærheten av fiberen og/eller fiberpakkingen tilveiebringer en forholdsvis sterk magnetisk signatur, og ved bruk av en magnetisk anomalidetektor på perforeringsladnings-strengen for å fastlegge og unngå å rette ladningene mot den relative lokalisering av signaturen.

Etter perforering blir perforeringsladnings-strengen fjernet, og en blanding av fluid, så som vann, og et fast proppemateriale, så som sand, tvinges ned brønnen ved høyt trykk for å frakturere bergarten langs linjer med svak spenning og danne og utvide permeable løp for gass eller annet fluid for inngang i brønnen.

Så snart et sett av frakturer på et nivå har blitt dannet, kan det være ønskelig å danne et annet sett av frakturer på et annet nivå. En blindplugg blir derfor innsatt nede i brønnen for å blokkere seksjonen av brønnen som nettopp er perforert. Perforerings- og fraktureringsprosessen blir deretter gjentatt på et forskjellig nivå. Fig. 6a illustrerer en blindplugg 604 som isolerer de dypere deler av brønnen som tidligere har blitt frakturert.

Denne prosessen gjentas inntil alle nødvendige frakturer har blitt fullført. På dette punkt kan produksjonsrør innsettes nede i brønnboringen, og pakninger kan settes inn mellom produksjonsrøret og fôringsrøret for å stenge gapet.

Så snart dette er fullført, starter brønnen produksjon med produkt som kommer inn i fôringsrøret fra tilgrensende bergartsformasjoner, og som transporteres til overflaten.

Perforeringsovervåking

I en utførelse av den foreliggende oppfinnelse brukes en DAS-sensor til å overvåke perforeringshendelsen. Overvåking av perforeringshendelsen kan tjene i det minste to klare formål. For det første kan lokaliseringen av perforeringen bestemmes. Det kan være vanskelig å styre eksakt lokaliseringen og retningen av perforeringen i et borehull, og detektering av lokaliseringen av perforeringen kan være nyttig for bestemmelse av de eksakte områder av interesse for overvåking i et senere hydraulisk frakturerings-trinn. Videre er detektering av retningen av perforeringene nyttig i seg selv i form av at det hjelper med styring og planlegging av videre perforeringer. Evnen til å detektere perforeringstype-hendelser vil bli beskrevet senere. Videre, kan den akustiske signatur til perforeringshendelsen sammenlignes med visse forventede karakteristika for å bestemme om hvorvidt perforeringen opptrådte tilfredsstillende.

I tillegg til overvåking av selve perforeringen, er perforeringshendelsen en hendelse med forholdsvis høy energi som akustisk eksiterer en stor andel av brønnboringen, dvs. fôringsrøret, sementen, eventuelle blindplugger som allerede er på plass, osv. Den akustiske respons på en perforeringshendelse tillater at en akustisk profil av brønnboringen samles inn og anslås.

Akustiske data samples ved mellom 0,2 Hz og 20 kHz over lengden av det borede hull under en perforeringshendelse. Energien som er tilstede i hver kanal overvåkes enten med et båndpassfilter og deretter en rms-energiberegning, eller ved gjennomføring av en FFT og summering av effekt mellom et øvre og et nedre frekvensbånd (typisk 512 pt FFT, 50% overlappet, filtrert mellom 300 og 5 kHz hvis samplingsrate er praktisk). En 2D dataoppstilling av detektert energi for tid og dybde (eller posisjon) kan produseres.

Videre behandling av dataoppstillingen ved i identifisering av topper viser at det impulsive perforeringssignal forplanter seg opp og ned brønnfôringsrøret så vel som inn i bergarten. Et energiplott som beskrevet ovenfor kan derfor produseres, og en trase kan identifiseres, hvilken sporer fremdriften av pulsen, som vist på fig.3.

Gradienten for den identifiserbare trase kan måles, ettersom den er den rate som energien forplanter seg med gjennom brønnfôringsrøret. Dette gir et mål på overføringshastigheten i mediet. Dette kan brukes til å angi områder i brønnfôringsrøret som er forskjellige fordi deres overføringshastighet forandres. Dette kan angi et problem med fôringsrørets innfesting, eller strukturelle problemstillinger i selve fôringsrøret.

En automatisert sporingsalgoritme kan brukes til å beregne hastigheten for denne energitrasen og bestemme områder hvor hastigheten forandres.

Den foreslåtte algoritme vil virke på den antagelse av hendelsen av interesse er mye større enn den normale tilstand i brønnen, slik at toppen i energi identifisert som perforeringshendelen med letthet kan identifiseres. Deretter kan toppen assosieres over suksessive tidsrammer, idet den gjennomsnittlige hastighet over 1, 2, 3, … 10 s kan beregnes. Ytterligere forbedringer kan spore flere topper samtidig (nyttig for å skjelne hovedpulsen i tilfellet med flere refleksjoner).

Ytterligere inspeksjon av fig.3 viser klare punkter for refleksjon av energi. Disse oppstår i sammenføyninger i fôringsrøret og kan forsyne en ingeniør med informasjon vedrørende kvaliteten av sammenføyningene over lengden av fôringsrøret. Alle steder hvor det er en signifikant manglende overensstemmelse i materialet, kan det forekomme en delvis refleksjon, og jo større den manglende overensstemmelse er, jo større er refleksjonskoeffisienten. Andre materialfeil, så som sprekker eller gropdannelse, kan i vesentlig grad påvirke forplantningen av energien langs fôringsrøret og fiberen, og identifiseres ved bruk av denne fremgangsmåte.

For eksempel kan tilstanden til sementen som omgir fôringsrøret anslås. Den akustiske respons for sementen kan variere i områder hvor det er et betydelig hulrom i sementen, enten på grunn av fremstilling, som resultat av en tidligere perforering eller fraktureringshendelse. Hulrom i sementen kan være problematisk, fordi hvis en etterfølgende perforering opptrer i et område med hulrom når fluidet og proppematerialet pumpes inn i brønnboringen, kan det være at det ikke strømmer inn i perforeringene i bergarten, men inn i hulrommet - slik at det går til spille en stor mengde proppemateriale og dannelse av brønnen oppholdes mens problemet løses. Fig.6a illustrerer at et hulrom 605 i sementen 108 kan være tilstede i en lokalisering av én av perforeringene. I dette tilfelle perforering 603. Hvis et slikt hulrom detekteres, f.eks. under et perforeringstrinn gjennomført for en nedre seksjon av brønnen, kunne perforeringen i dette område ha blitt unngått og/eller hulrommet fylt før perforering.

Som nevnt ovenfor, responsen for en ikke fastholdt fiber er forskjellig fra den for en fastholdt fiber, og således, hvis fiberen i seg selv passerer gjennom et hulrom i sementen, og således ikke er fastholdt i dette område, vil den akustiske respons være svært forskjellig. Den foreliggende oppfinnelse kan således inkludere detektering av hulrom i sementen som angir fôringsrøret.

Posisjoneringen og tilstanden til blindpluggene 604 kan også anslås på denne måte. Hvis blindpluggen 604 ikke er satt i den korrekte posisjon eller er defekt og har sviktet eller trolig vil svikte, så kan prosessfluid under den hydrauliske frakturering presses inn i en uønsket del av brønnen, hvilket resulterer i tap av proppemateriale og tid og har en mulig innvirkning på tidligere vellykkede frakturer. Ved å fastlegge på forhånd at en blindplugg ikke er satt korrekt, kan en ny plugg settes inn der hvor det er påkrevet før den hydrauliske fraktureringsprosess startes.

Overvåking av frakturfluid og proppemateriale

Så snart perforeringene har blitt foretatt, tvinges fluidet og proppematerialet til å strømme inn i brønnen for forårsake frakturering 606, som illustrert på fig.6b. De akustiske responser for de akustiske kanaler av fibere i nærheten av perforeringene overvåkes. Strøm av høytrykksfluidet inneholdende et fast partikkelmateriale gjennom fôringsrøret 104 danner mengder av akustisk forstyrrelse, og alle kanaler i fiberen som korresponderer til seksjoner av brønnboringen hvor strømmen opptrer vil generere (vise) akustisk respons. Det har imidlertid blitt funnet at de akustiske kanaler i nærheten av perforeringsstedene oppviser en akustisk respons som er relatert til strømmen av frakturfluid inn i perforeringsstedet og fraktureringen som opptrer. Det er også blitt funnet at denne respons kan ses tydeligst ved å se på de diskrete frekvensbånd for de akustiske forstyrrelser.

Fig. 7a illustrerer den akustiske intensitet som kan detekteres av en flerhet av akustiske kanaler i fiberen i nærheten av perforeringsstedene illustrert på fig.

6a (under antagelse av at hulrom 605 ikke er tilstede) under den hydrauliske fraktureringsprosess. Pilene 601, 602 og 603 illustrerer lokaliseringen av perforeringsstedene. Den stiplede kurve 700 illustrerer en normalisert gjennomsnittlig intensitet for alle akustiske forstyrrelser detektert av fiberen. Det kan ses at det er et generelt nivå av forstyrrelse av akustiske seksjoner av fiberen gjennom hele den vist seksjon, selv om intensiteten faller for kanaler som representerer seksjoner av brønnboringen nedenfor blindpluggen 604. I nærheten av perforeringsstedene 601, 602 og 603 er det små økninger i akustisk intensitet. Den heltrukne kurve 701 viser imidlertid den normaliserte akustiske intensitet for forstyrrelser innenfor et spektralbånd, dvs. forstyrrelser som har en frekvens innenfor et bestemt område. Det kan ses at identitetsdifferansen i signal i nærheten av perforeringsstedene er mye mer uttalt. Det eksakte frekvensbånd av interesse kan variere avhengig av parameterne for brønnboringen, fôringsrøret, den omgivende bergartsformasjon og strømningsparameterne for frakturfluidet, dvs. trykk, strømningsmengde, type og andel proppemateriale, osv. Signalreturene kan derfor behandles i en rekke forskjellige frekvensbånd og vises for en operatør, enten samtidig (eksempelvis i forskjellige grafer eller lagt over kurver med forskjellige farger) eller sekvensielt eller som valgt av brukeren. Dataene kan også behandles for automatisk å detektere det spektralbånd som tilveiebrakte den største differanse mellom intensiteten ved kanaler i nærheten av perforeringsstedet og kanaler ved andre seksjoner av brønnen.

Kurve 701 illustrerer at den akustiske respons ved hvert av perforeringsstedene er tilnærmet den samme. Dette kan angi at frakturfluid blir tvunget likt inn i alle perforeringsstedene, og at de alle har lignende karakteristika.

I noen tilfeller kan imidlertid noen fraktursteder være mere aktive enn andre steder. Fig.6b representerer den situasjon som har utviklet at perforeringsstedene 601 og 602 har blitt utvidet ved at frakturfluidet blir tvunget inn dem og at bergartsformasjonen blir frakturert ved frakturpunkter 606. Ingen signifikant frakturering opptrer imidlertid ved perforeringssted 603. Dette kan inntreffe på grunn av et mangfold av årsaker, men så snart en slik situasjon utvikler seg, kan mesteparten av frakturfluidet strømme inn i perforeringsstedene 601 og 602, med det resultat at sted 603 forblir hvilende. Hvis denne situasjonen fortsetter, så til slutt, når fraktureringsprosessen er fullført, vil kun perforeringsstedet 601 og 602 tilveiebringe signifikante løp for å la olje eller gass strømme til brønnboringen, og denne seksjon av brønnen vil således være mindre effektiv enn tilsiktet.

For å avhjelpe en slik situasjon kan frakturstedene 601 og 602 delvis blokkeres ved tilsetting av fast materiale til frakturfluidet for å forårsake en blokkering. Bestemmelse av om hvorvidt alle fraktursteder frakturerer på den samme måte, har imidlertid ikke tidligere vært mulig på noen pålitelig måte. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer imidlertid en pålitelig sanntids mekanisme for overvåking av strøm av frakturfluid og bestemmelse av om hvorvidt alle frakturer går like mye fremover. Fig.7b illustrerer den akustiske respons som kan genereres fra situasjonen vist på fig.6b. Den stiplede kurve 703 viser den totale intensitet, dvs. akustisk energi, for hver kanal over alle frekvenser. Igjen viser denne kurve den generelle trend, men den er mye klarere når man ser på den heltrukne kurve 704, som igjen viser den akustiske respons fra et avsmalnet spektralområde. Kurve 704 viser at selv om det er en stor signalintensitet ved perforeringssteder 601 og 602 på grunn av frakturfluidet som strømmer inn i perforeringsstedet og forårsaker frakturering, er det i dette tilfelle ingen slik respons i nærheten av perforeringssted 703. Dette viser at utstrekningen av enhver frakturering via perforeringssted 603 er betydelig begrenset.

Ved å vise en slik grafisk representasjon til en operatør i sanntid, mottar operatøren informasjon som tillater ham å se hvordan frakturprosessen går fremover, og om det er noen problemer med frakturprosessen. Verdien av intensitet og/eller frekvens for det akustiske signal korresponderende til frakturfluid som strømmer inn i et perforeringssted og forårsaker frakturering kan også analysere for å bestemme noen parametere om frakturene, så som generell størrelse av frakturene og/eller rate av frakturering.

I tillegg til å tilveiebringe en synlig visning, for eksempel i et kontrollrom eller lignende, kan en bestemt akustisk kanal velges for hørbar tilbakespilling. Med andre ord, kan operatøren få høre på de signaler som er detektert av en bestemt seksjon av fiber. I sin essens virker den relevante seksjon av fiber som en mikrofon. Evnen til å lytte, i sanntid, på signaler ved en seksjon av brønnen dypt under grunnen under hydraulisk frakturering antas å være ny. Ved å lytte på de signaler som er detektert kan operatøren få en følelse for fraktureringsprosessen og hvordan den går fremover. Ved å veksle mellom kanalene tilknyttet de forskjellige fraktursteder, kan operatøren selv bestemme om hvorvidt det er signifikante forskjeller i frakturering ved de forskjellige perforeringssteder og/eller om hvorvidt forandringer av strømningsparameterne har hatt noen signifikant effekt.

Som nevnt ovenfor, i enkelte tilfeller kan frakturfluidet kanskje ikke strømme inn i bergarten og det kan forekomme en utvasking av proppemateriale. Strømmen av proppematerial-fluid i normal operasjon vil generelt gå fremover med en viss rate og med en viss karakteristikk. Hvis fluidet finner et annet løp eller opphører å frakturere korrekt, kan strømningsbetingelsene inne i brønnen forandres. Den akustiske respons under strøm av proppematerial-fluid kan derfor overvåkes for å detektere enhver signifikant forandring. Hvis en forskjellig del av fôringsrøret svikter, kan dette være åpenbart på grunn av den plutselige opptreden av et signal, så som signalkomponent 705 ved en forskjellig del av brønnboringen.

Detektering av en slik komponent kan brukes til å generere en alarm.

Overvåking av seismisk fraktur

Seismiske hendelser og frakturhendelser forårsaket av faktisk frakturering av bergarten er av en klart forskjellig karakter fra den kontinuerlige strømningsstøy forårsaket av høytrykksinnstrømmingen av vann og sand under fraktureringsprosessen. Generelt er de karakterisert ved å være korte og impulsive hendelser -heretter referert til transiente hendelser. En teknikk som ser på korttids variasjoner bort fra de midlere variable nivåer (den transiente detektor) vil trekke disse hendelser ut fra bakgrunnsstøy og støy med lang periode. Den generelle behandlingsmetode er fremsatt på fig.4.

Ved å behandle de akustiske data mottatt for å fremheve transiente hendelser på denne måte, kan en frakturhendelse detekteres og observeres, og forskjellige parametere kan bestemmes.

Den rate som frakturer opptrer ved, eller frakturtetthet, kan bestemmes i henhold til antallet og/eller intensiteten av detekterte frakturer over en definert periode eller et dybdeområde.

Dybden, for en vertikal brønnseksjon, hvor frakturering opptrer, kan bestemmes i henhold til den eller de kanaler hvor frakturhendelser detekteres. På lignende vis for en horisontal seksjon av brønnen, kan frakturen lokaliseres til en bestemt horisontal seksjon. Hvis frakturhendelsen detekteres av flere kanaler, kan den kanal som mottar signalet først tas for å være den som er nærmest frakturhendelsen, og således brukes til å identifisere den relevante seksjon av brønnen, eksempelvis dybde for en vertikal brønnseksjon. Videre kan ankomsttiden ved flere kanalen brukes til å tilveiebringe et estimat av avstanden til frakturen. Ved estimering av forplantningshastigheten for de seismiske signaler, kan differansene i relativ vei fra avfølingsseksjon av fiberen til kilden beregnes, og forutsatt at den samme transient detekteres ved nok forskjellige avfølingsseksjoner av fiberen, kan avstanden til kilden for transienten bestemmes.

Et mål for frakturstørrelse kan bestemmes. Intensiteten av transienten kan være indikativ for størrelsen av frakturen, selv om signaler fra mer fjerntliggende frakturer vil bli dempet mer når de går gjennom grunnen enn de som er fra nærliggende frakturer, og intensiteten kan således trenges å bli vektet i henhold til avstanden til frakturen. Frekvensinnholdet i transienten kan også være indikativ for størrelsen av frakturen. Frakturer av større størrelse kan generere transienter med større frekvens. Den målte varighet av en fraktur, dvs. varigheten av transienten eller en serie av beslektede transienter, kan angi en fraktureringshendelse med høy størrelse. Videre kan antallet av kanaler i fiberen som mottar en transient eller serie av transienter fra en enkelt hendelse angi utstrekningen eller spennet av frakturen.

For å tilveiebringe en signalparameter for frekvens, kan den midlere frekvens av spektralformen av hendelsen brukes. Andre frekvensparametere som kan bestemmes inkluderer annenordens statistikk, så som skjevhet og kurvatur.

En angivelse av typen av fraktureringshendelse kan bestemmes. For eksempel kan en frakturhendelse som frakturerer bergartsstrata i forholdsvis rent skjær generere en transient som har en bestemt frekvenskarakteristikk, for eksempel kan energien konsentreres i ett eller flere smale frekvensbånd. En fraktur som ligner mer på en knusingshendelse som bryter bergarten opp i flere seksjoner kan frembringe en transient med en større frekvensspredning. Videre kan evolusjonen av signalintensiteten i transienten eller serien av transienter angi typen av fraktur.

Karakteristikaene for transienten kan sammenlignes med én eller flere kjent karakteristika for kjente typer av frakturer, for eksempel fremskaffet fra historisk fraktureringsinformasjon. For eksempel kan transientkarakteristikaene sammenlignes med de som detekteres i lignende bergartsformasjoner under fraktureringsprosessen for brønner som har vist seg å være effektive produksjonsbrønner.

En estimat av avstanden fra brønnen kan foretas basert på frekvenskarakteristikaene for en frakturhendelse, ettersom forskjellige frekvenskomponenter av signalet opplever forskjellige nivåer av demping.

For å identifisere transienter blant andre bakgrunnsdata, blir et mål på korttids variabilitet sammenlignet med den normale eller en gjennomsnittlig variabilitet for en gitt kanal.

I én utførelse oppnås dette ved populeringsstatistikk som representerer den midlere energi og det midlere absolutte avvik omkring middelet (MAD: midlere av absolutt differanse av inneværende verdi og midlere verdi).

Disse to statistikker oppdateres ved eksponensielt å finne gjennomsnittet ettersom hver dataoppdatering mottas, ved bruk av et svekkingsuttrykk, N.

Midlere data = ((N-1) / N)*midlere data (1/N)*nye data

MAD = ((N-1) / N)*MAD data (1/N)*abs(nye data-midlere data)

Hvor dataene første gjennomgår en FFT og hvor beregninger gjennomføres per kanal og per frekvenscelle.

Det transiente nivå blir da definert som:

Abs |nye data - midlere data| / MAD

Dette gir en verdi relatert til hvor mye en bestemt frekvenscelle er høyere i variabilitet enn dens gjennomsnittlige variabilitet. Svært variable kanaler er følgelig selvregulerende, og det er kun overdrevent stor og uvanlig variabilitet som detekteres. Ved variering av verdiene av N, kan algoritmen avstemmes til å detektere transiente hendelser av forskjellig lengde. Typisk brukes faktorene 4, 6, 8, ….128, men disse avhenger av lengden av transienten som er påkrevet og FFT-raten for systemet. Ved gjennomføring av denne behandling i frekvensdomenen, oppnås en høy grad av styring over de brukte frekvenser for å danne en transient hendelse, og kunnskap om den transiente spektralstruktur beregnes og bevares for uttrekking av trekk.

Algoritmen velger adaptivt en eksponensiell faktor i henhold til om hvorvidt en hvorvidt en transient utløses. Ved ny beregning av de midlere verdier og mediumverdier, hvis en frekvenscelle er over terskelen som en deteksjon, vil den bruke en forskjellig verdi for N (i dette eksempelet brukes 100N), hvilket betyr at transienthendelsen inkluderes i den generelle statistikk ved en mye redusert rate sammenlignet med de normale hendelser.

Lokaliseringen av frakturhendelser kan også overvåkes for å tillate frakturkartlegging eller frakturtetthet-kartlegging. I et typisk produksjonsmiljø kan det være flere brønner i det samme olje- eller gassfelt. Ideelt sett tapper hver brønn en forskjellig del av feltet. Det er imidlertid mulig at frakturene dannet i en brønn går inn i det samme området som frakturene fra en annen brønn. I dette tilfellet kan det være at den nye brønnen ikke øker produksjonen, ettersom enhver produksjon ved den nye brønnen reduserer produksjonen ved den gamle brønnen. Det er derfor ønskelig å overvåke lokaliseringen av frakturer. Bruken av et DAS-system innbærer evnen til å detektere og overvåke hvor frakturhendelsen opptrer i sanntid, hvilket tillater styring over fraktureringsprosessen.

Det har overraskende blitt funnet at DAS-systemene kan brukes til separat å detektere P- og S-bølger. P-bølger (trykk- eller primærbølger (pressure or primary waves)) er longitudinale bølger som forplanter seg gjennom fast materiale. S-bølger er skjærbølger eller sekundære bølger (shear waves or secondary waves) som er transversale bølger. Samverserende patentsøknad PCT/GB2009/002055, hvis innhold herved innlemmes som referanse dertil, beskriver hvordan et DAS-system kan brukes til å detektere P- og S-bølger og diskriminere mellom dem. Detektering av S-bølger for frakturhendelsen kan tillate at lokaliseringen bestemmes. For å bestemme lokaliseringen av frakturhendelsen, flere fibere og/eller type ankomsttid, kan teknikker brukes som beskrevet i samverserende søknad nr. GB0919904.3, hvis innhold hermed innlemmes som referanse dertil.

Videre vil det tas ad notam at S-bølgen, som er en transversal bølge, vil ha en skjærretning tilknyttet bølgen. Deteksjon av de forskjellige komponenter av S-bølgen vil tillate en bestemmelse av orienteringen av frakturen. Dette er særlig nyttig ettersom frakturer i horisontalplanet ikke er foretrukket, ettersom den injiserte sand generelt er utilstrekkelig til å holde frakturen åpen gitt vekten av bergarten ovenfor. En vertikal fraktur er således foretrukket. For å detektere orienteringen av S-bølgen kan den innkommende bølge løses opp i komponenter i tre dimensjoner. Ved å anordne én eller flere avfølingsfibere i tre dimensjoner kan komponentene av den innfallende bølge finnes. Bruken av én eller flere fiberoptiker som fortrinnsvis responderer på akustiske forstyrrelser i én retning (dvs. at den bøyes lettere i én tverrgående retning enn i den ortogonale tverrgående retning) kan hjelpe til med å løse opp en innfallende akustisk bølge i sine komponenter, som beskrevet i samverserende søknad GB0919902.7, hvis innhold hermed innlemmes som referanse dertil.

Figur 8 illustrerer en brønnboring 106 som har en optisk fiber 102 anordnet ned hullet og en interrogator 112 for å tilveiebringe en DAS-sensor som beskrevet ovenfor. En hydraulisk fraktureringsprosess blir gjennomført ved perforerings/ fraktur-stedet 801. En bestemt frakturhendelse opptrer i lokalisering 802. Denne frakturhendelsen vil danne et transient seismisk signal som vil forplante seg til forskjellige kanaler av fibere 102. Ankomsttiden ved forskjellige kanaler kan brukes til å bestemme dybden av frakturhendelsen. I tillegg er imidlertid en annen DAS-sensor tilveiebrakt av en annen optisk fiber 803 anordnet ned et forskjellig borehull 804 og forbundet til en annen interrogator 805. Denne ytterligere DAS-sensor kan være utplassert i en eksisterende brønn og/eller en DAS-sensor kan være anordnet i et borehull tilveiebrakt utelukkende for observasjonsmessige formål.

Signalene fra frakturhendelsen vil også mottas av avfølingspartiene av fibere 803, og vil således bli detektert. Signalene fra begge DAS-sensorer kan sendes til en sentral prosessor 806, som for eksempel kan være lokalisert i et kontrollrom, som analyserer dataene for å detektere det samme transiente signal som blir detektert av de forskjellige avfølingspartier av sensorene. Multilaterasjons-teknikker kan deretter anvendes for å bestemme opprinnelsen til den akustiske forstyrrelse og følgelig lokaliseringen av frakturhendelsen. Forutsatt at det er nok sensorer til å løse enhver posisjons-ubestemthet, kan lokaliseringen av forskjellige frakturhendelser registreres, og følgelig kan et tre-dimensjonalt frakturkart over de frakturer som blir produsert under hydraulisk frakturering genereres. Som vist på fig. 8, ikke alle DAS-sensorer behøver å utplasseres ned borehull, og minst én sensor 807 kan være lokalisert i overflatenivå eller nedgravd litt nedenfor overflaten.

Innstrømmingsovervåking

Selv om den foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet i forhold til deteksjon av fraktureringshendelser vil det være klart at den optiske fiber, når den er utplassert, vil forbli i brønnen under operasjon. DAS-avfølingen kan også tilveiebringe nyttige avfølingsevner relatert til den etterfølgende operasjon av brønnen. For eksempel, overvåkingen av fluid, så som olje og gass som strømmer inn i en brønn fra tilgrensende bergartsformasjoner, krever typisk mye større sensitivitet enn enhver av de tidligere teknikker, ettersom den ser etter den karakteristiske lyd av olje eller gass når den går inn i fôringsrøret, en forholdsvis stille og subtil støykilde. Detektering og kvantifisering av områdene av innstrømming inne i en brønn er mulig ved analysering av et 3D datasett av detektert aktivitet med hensyn på avstand/dybde over en tidsperiode, som det kan ses ved bruk av et 2D "vannfall"-energikart.

Effektene av interesse er svært subtile og tilkjennegir seg typisk som variasjoner inne i støystrukturen snarere enn som trekk som er lette å sjeldne over støyen slik denne ses i perforeringsdeteksjon. Pålitelighet og nøyaktighet ved deteksjon kan forbedres ved å legge vekt på områder hvor energien varierer på en karakteristisk måte. Variansstatistikk, snarere enn den direkte energi fra hver kanal, ble gransket over kort tidsperioder og brukt til å tilveiebringe angivelser av innstrømming. Som det kan ses på fig.5 viser denne teknikken klarere området for innstrømming (markert med en pil) og de diagonale strukturer (fremhevet med stiplet linje) forårsaket av energi eller materiale som beveger seg opp røret.

Flere metoder for overvåking og parameterisering har blitt beskrevet ovenfor, og de forskjellige karakteristika for signalene som er tilstede og som blir analysert (frekvensinnhold, amplitude og signal/støy) plasserer et bredt spekter av krav på avfølingsapparatet. På grunn av det store dynamiske området og de forholdsvis høye samplingsrater for DAS-overvåkingssystemet, kan imidlertid all den ovenstående overvåking og behandling gjennomføres ved bruk av det samme system som vist skjematisk på fig.1.

I tillegg, og som nevnte ovenfor, konfigurasjonen av kanalene kan også justeres, og forskjellige kanalinnstillinger kan brukes for forskjellige overvåkingsoperasjoner. Kanalinnstillingene kan også adaptivt styres som respons på overvåkede data, for eksempel hvis en signifikant frakturtetthet opptrer på en viss dybde, kan det være ønskelig å overvåke denne bestemte dybde med større oppløsning over en tidsperiode, før man går tilbake til den opprinnelige kanalkonfigurasjon.

På denne måte kan et fullstendig overvåkingsprogram kjøres ved hjelp av et enkelt system over en hel sekvens av brønnoperasjoner fra perforering til fluidinnstrømming. Systemet kan anordnes til å gå over fra en type av deteksjon til en annen som respons på detekterte hendelser, og kan adaptivt variere både avføling og databehandlings-parametere for en gitt overvåkings/deteksjons-aktivitet.

I tillegg kan DAS-systemet brukes som et middel til kommunisering med nedihullssensorer. US2009/0003133 beskriver en fremgangsmåte for overføring av data fra sensorer nede i brønnen og lignende ved bruk av akustikk ved bruk av selve fôringsrøret som et akustisk medium. Den akustiske fiber kan isteden brukes til å motta omkodede akustiske signaler, hvilket betyr at signaler med lavere effekt kan overføres, og at dette gjøres pålitelig. Samverserende søknad GB2010/000602 beskriver en akustisk transduser som er egnet til bruk i dette miljø.

Det vil forstås at den foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet ovenfor utelukkende som et eksempel, og at modifikasjoner av detaljer kan gjøres innenfor omfanget av oppfinnelsen.

Hvert trekk offentliggjort i denne beskrivelse, og (der hvor det er passende) kravene og tegningene kan tilveiebringes uavhengig eller i enhver passende kombinasjon.

Claims

PATENTKRAV

1. Fremgangsmåte for nedihulls overvåking av hydraulisk frakturering, omfattende trinn for:

utspørring av en optisk fiber anordnet ned banen for en brønnboring for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor,

sampling av data fra en flerhet av langsgående partier av fiberen; og behandling av dataene for å tilveiebringe en angivelse av minst én frakturerings-karakteristikk

hvor angivelsen av minst én frakturerings-karakteristikk omfatter en angivelse av minst én av intensitetsnivåene; frekvensene; og/eller frekvensspredning av akustiske forstyrrelser i det minste i ett langsgående avfølingsparti av fiberen i nærheten av et fraktursted, og der nevnte angivelse(r) brukes for å tilveiebringe en angivelse av strømning av proppemateriale og fluid inn i en fraktur.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor angivelsen av minst én frakturerings-karakteristikk omfatter en sammenligning av intensitetsnivåene; frekvensene; og/eller frekvensspredning av akustiske forstyrrelser fra minst ett langsgående avfølingsparti av fiberen i nærheten av hver i en flerhet av forskjellige fraktursteder.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, hvor angivelsen av minst én frakturerings-karakteristikk omfatter en visning av akustisk energi for hvert av de separate langsgående avfølingspartier som blir overvåket.

4. Fremgangsmåte som angitt i ett av de foregående kravene, der nevnte angivelse(r) brukes for å anføre den relative strømningen av proppmateriale og fluid inn i hver av de flere forskjellige frakturstedene.

5. Fremgangsmåte som angitt i ett av de foregående kravene, hvor de målte akustiske forstyrrelser fra minst ett langsgående avfølingsparti i nærheten av et fraktureringssted deles opp i ett eller flere spektralbånd, og den gjennomsnittlige intensitet bestemmes for hvert av spektralbåndene.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, hvor angivelsen av minst én frakturkarakteristikk omfatter en visning, for minst ett langsgående avfølingsparti av fiberen for hvert fraktureringssted, av den akustiske intensitet fra et valgt spektralbånd.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 5 eller krav 6, omfattende et trinn med analysering av dataene fra en flerhet av spektralbånd for å identifisere et spektralbånd av interesse.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, hvor analyseringstrinnet omfatter bestemmelse av et spektralbånd hvor intensiteten av akustiske forstyrrelser i dette spektralbåndet i de langsgående avfølingspartier av fiber korresponderende til frakturstedene er vesentlig høyere enn intensiteten i andre nærliggende langsgående avfølingspartier.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 7 eller krav 8, hvor analyseringstrinnet omfatter detektering av ethvert spektralbånd hvor intensiteten ved ett eller flere langsgående avfølingspartier korresponderende til et fraktursted er signifikant lavere enn intensiteten ved langsgående avfølingspartier korresponderende til ett eller flere andre fraktursteder.

10. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 7-9, hvor angivelsen av minst én frakturkarakteristikk omfatter en visning av intensiteten av akustiske forstyrrelser fra minst ett langsgående avfølingsparti i nærheten av frakturstedet i spektralbåndet av interesse.

11. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 7-10, hvor spektralbåndet av interesse omfatter en angivelse av en frakturkarakteristikk.

12. Fremgangsmåte som angitt i ett av de foregående krav, omfattende et trinn med overvåking av evolusjonen av intensiteter av de langsgående avfølingspartier av fiberen korresponderende til frakturstedene under fraktureringsprosessen.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, omfattende et trinn med bestemmelse av enhver signifikant forandring i den gjennomsnittlige intensitet i ethvert relevant langsgående avfølingsparti sine forandringer og/eller de relative intensiteter i de langsgående avfølingspartier av fibere korresponderende til frakturstedene.

14. Fremgangsmåte som angitt i ett av de foregående kravene, der angivelsen av intensitetsnivåene, frekvensene og/eller frekvensspredning av akustiske forstyrrelser brukes for å kontrollere strømningsbetingelser av proppmateriale og fluid inn i borehullet.