RU2374438C2

RU2374438C2 - Method to controll crack development hydraulic fracturing and it's geometry

Info

Publication number: RU2374438C2
Application number: RU2007147227/03A
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Журавлев (RU); Олег Николаевич Журавлев; Дмитрий Анатольевич Коротеев (RU); Дмитрий Анатольевич Коротеев; Марван Чарара (RU); Марван Чарара
Original assignee: Шлюмберже Текнолоджи Б.В.
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-11-27
Also published as: RU2007147227A

Abstract

FIELD: oil-and-gas production.

SUBSTANCE: invention related to methods of control crack development hydraulic fracturing and its geometry, particularly by changing electromagnetic or acoustic field, emitted from crack's end and edge. The invention can be in used for oil-and-gas field or coal industry. Method involves use of at least one well, pumping into borehole hydraulic fracturing fluid under pressure. Fluid with a high electrical conduction is used as a hydraulic fracturing fluid in relation to stratum with low electrical conduction. Electrical voltage applies to hydraulic fracturing fluid during the hydraulic fracturing process via electrodes. One electrode connected with hydraulic fracturing fluid, the other one grounded. Crack geometry defines according to sensors data. According to invention: pulse train applies to hydraulic fracturing fluid. Grounded electrode installed distantly from the electrode connected with hydraulic fracturing fluid, away enough to avoid "hydraulic fracturing fluid - grounded electrode" system electrical discharge in initial moment of time just after voltage impulse received from well at stage correspondent to hydraulic fracturing fluid recharge completion. At least in one well electromagnetic field parametres and/or acoustic signals, accrued as result of voltage impulse applied to hydraulic fracturing fluid, to be measured and additionally coordinate of the crack tip to be defined.

EFFECT: method effectiveness increase due to simplification and increase in measurement accuracy.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, в частности, посредством измерения электромагнитного или акустического поля, излучаемого на конце и краях трещины. Изобретение может найти применение на нефтяных и газовых месторождениях, а также в угольной промышленности.The invention relates to methods for controlling the development of a hydraulic fracture and its geometry, in particular by measuring the electromagnetic or acoustic field emitted at the end and edges of the fracture. The invention may find application in oil and gas fields, as well as in the coal industry.

Гидроразрыв пласта - это хорошо известный способ интенсификации добычи углеводородов из скважины путем увеличения проницаемости призабойной зоны продуктивного пласта за счет образования трещин. Кроме того, гидроразрыв используется для повышения производительности коллекторов воды или пара или в качестве метода предварительной подготовки породы (расщепление пласта на большие куски), например, в угольной промышленности.Hydraulic fracturing is a well-known method of intensifying hydrocarbon production from a well by increasing the permeability of the bottom-hole zone of a productive formation due to the formation of cracks. In addition, hydraulic fracturing is used to increase the productivity of water or steam reservoirs or as a method of pre-treatment of the rock (splitting the reservoir into large pieces), for example, in the coal industry.

В ходе операции по гидроразрыву пласта вода или высоковязкая жидкость (называемая также жидкостью гидроразрыва), несущая расклинивающий наполнитель (пропант), закачивается в пласт с целью создания трещины в продуктивном интервале и заполнения трещины пропантом. Для эффективного использования трещина должна располагаться внутри продуктивного интервала и не выходить в прилегающие слои, а также иметь достаточные длину и ширину. Таким образом, контроль за развитием и размерами трещины является важным этапом обеспечения оптимизации процесса гидроразрыва.During a hydraulic fracturing operation, water or a highly viscous fluid (also called hydraulic fracturing fluid) carrying proppant is pumped into the formation to create a fracture in the production interval and fill the fracture with proppant. For effective use, the crack should be located inside the productive interval and not go into adjacent layers, and also have sufficient length and width. Thus, monitoring the development and size of the fracture is an important step in ensuring the optimization of the fracturing process.

В настоящее время геометрию образовавшихся трещин определяют, применяя различные технологии и методики. Наиболее широко известны способы (так называемая визуализация гидроразрыва), обеспечивающие оценку пространственной ориентации трещины и ее длины во время операций по гидроразрыву и опирающиеся главным образом на локализацию сейсмических явлений с использованием пассивной акустической эмиссии. Другие способы основаны на измерении наклономерами незначительной деформации почвы либо с поверхности, либо из ствола скважины. Еще один метод представляет собой метод кривых восстановления давления, заключающийся в анализе кривых падения давления во время добычи.Currently, the geometry of the formed cracks is determined using various technologies and techniques. The most widely known methods (the so-called visualization of hydraulic fracturing), providing an assessment of the spatial orientation of a fracture and its length during hydraulic fracturing operations and relying mainly on the localization of seismic phenomena using passive acoustic emission. Other methods are based on measuring inclinometers of slight soil deformation either from the surface or from the wellbore. Another method is the pressure recovery curve method, which consists in analyzing pressure drop curves during production.

Все эти способы достаточно дорогостоящи из-за необходимости надлежащего размещения датчиков в заданном месте с учетом соответствующей механической сцепки между пластом и измерительными приборами. Другие способы дают приблизительную оценку высоты трещины около скважины, основываясь либо на колебаниях температуры, либо на данных, полученных с помощью изотопных индикаторов (меченых атомов). Обзор вышеуказаннных способов визуализации представлен, например, в публикации Barree R.D., Fisher М.К. и Woodroof R.A. (2002) A practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies, материал SPE paper 77442, представленный на Ежегодной технической конференции и выставке в Сан-Антонио, штат Техас, 29 сентября - 2 октября 2002 г.All these methods are quite expensive due to the need for proper placement of sensors in a given place, taking into account the appropriate mechanical coupling between the reservoir and the measuring instruments. Other methods provide an approximate estimate of the height of the fracture near the well, based either on temperature fluctuations or on data obtained using isotopic indicators (labeled atoms). An overview of the above visualization methods is provided, for example, in Barree R. D., Fisher M.K. and Woodroof R.A. (2002) A practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies, material SPE paper 77442, presented at the San Antonio, Texas Technical Conference and Exhibition on September 29 - October 2, 2002.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, описанный в патенте США №6330914 и предусматривающий использование по меньшей мере одной скважины, нагнетание в ствол скважины проводящей жидкости гидроразрыва под давлением, позволяющим упомянутой жидкости создать трещину вокруг скважины и проникнуть в нее и далее через поверхности трещины в зону фильтрации в пласте вокруг трещины, приложение электрического напряжения к жидкости гидроразрыва, последующее измерение параметров наведенного электромагнитного поля, по изменению которых судят о развитии и геометрии трещины.The closest analogue of the claimed method is a method for controlling the development of a hydraulic fracture and its geometry, described in US Pat. No. 6,330,914 and involving the use of at least one well, injection into the wellbore of a conductive hydraulic fracturing fluid under pressure, allowing said fluid to create a crack around the well and penetrate into it and further through the surface of the fracture into the filtration zone in the formation around the fracture, the application of electrical voltage to the fracturing fluid, the subsequent measurement the parameters of the induced electromagnetic field, by changing which they judge the development and geometry of the crack.

Данный способ имеет ряд очевидных недостатков. Прежде всего, использование электрических сигналов частотой 100 Гц при малой амплитуде влечет за собой искусственное понижение отношения сигнал-шум при амплитудных измерениях, что сказывается на точности измерений. Кроме того, описанный способ может быть применен только в отношении неглубоких скважин, а предлагаемый способ обработки полученных результатов измерений для оценки геометрии трещины достаточно сложен.This method has a number of obvious disadvantages. First of all, the use of electrical signals with a frequency of 100 Hz at a small amplitude leads to an artificial decrease in the signal-to-noise ratio during amplitude measurements, which affects the accuracy of measurements. In addition, the described method can be applied only to shallow wells, and the proposed method of processing the obtained measurement results to assess the geometry of the fracture is quite complicated.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании эффективного способа контроля развития трещины гидроразрыва пласта и ее геометрии, обеспечивающего высокую точность и при этом являющегося достаточно простым. Способ предусматривает нагнетание в ствол скважины проводящей жидкости гидроразрыва под давлением, позволяющим упомянутой жидкости создать трещину в пласте и проникнуть в нее и далее через поверхности трещины в зону фильтрации в пласте вокруг трещины, в процессе гидроразрыва приложение серии импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва, последующее измерение параметров электромагнитного поля и/или акустических сигналов, возникающих в результате приложения импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва, на стадии, соответствующей окончанию зарядки жидкости гидроразрыва, и определение координат наконечника трещины.The technical result of the claimed invention is to create an effective way to control the development of hydraulic fractures and their geometry, providing high accuracy and at the same time being quite simple. The method involves injecting a conductive hydraulic fracturing fluid into the wellbore under pressure, which allows said fluid to create a fracture in the formation and penetrate into it and then through the surface of the fracture into the filtration zone in the reservoir around the fracture, during the fracturing application of a series of voltage pulses to the fracturing fluid, followed by measurement of parameters electromagnetic field and / or acoustic signals resulting from the application of voltage pulses to the fracturing fluid at a stage corresponding to approx nchaniyu charging the fracturing fluid, and determining the coordinates of the crack tip.

Импульсы напряжения к жидкости гидроразрыва прикладывают между двумя электродами, один из которых находится в контакте с жидкостью гидроразрыва (или обсадной колонной), другой заземлен на расстоянии, достаточном, чтобы избежать быстрой разрядки системы "жидкость гидроразрыва-заземленный электрод" за счет возникновения тока проводимости существенной величины между жидкостью и электродом в первые моменты времени после поступления импульса напряжения от скважины. В промежутке времени, когда зарядка системы «заземленный электрод-скважина+трещина гидроразрыва» завершена, а ток через пласт еще не потек, проводятся измерения электрического и акустического полей при помощи распределенной системы соответствующих датчиков. Согласно Ландау, Лифшиц, Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, (2001), максимальный вклад в суммарную интенсивность измеряемых полей даст заостренный конец - «наконечник» - трещины. По этим данным, используя известные методики восстановления координат источника излучения по данным распределенной системы датчиков, определяется положение конца трещины и ее размеры (см., например, R.D. Barree, M.K. Fisher, R.A. Woodroof "A Practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies", SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 29 September-2 October 2002, San Antonio, Texas, paper №77442-MS, F. Peterman, D.L. McCarley, K.V. Tanner, J.H. Le Calvez, W.D. Grant, C.F. Hals, L. Bennett, J.C. Palacio "Hydraulic-Fracture Monitoring as a Tool To Improve Reservoir Management", SPE Production Operations Symposium, 16-19 April 2005, Oklahoma City, Oklahoma, paper №94048-MS.Voltage pulses are applied to the fracturing fluid between two electrodes, one of which is in contact with the fracturing fluid (or casing), the other is grounded at a distance sufficient to avoid rapid discharge of the fracturing fluid-grounded electrode system due to the occurrence of a substantial conductivity current the values between the liquid and the electrode in the first moments of time after the receipt of a voltage pulse from the well. In the period of time when the charging of the grounded electrode-well + hydraulic fracture system is completed, and the current through the formation has not yet flowed, measurements of the electric and acoustic fields are carried out using a distributed system of appropriate sensors. According to Landau, Lifshitz, Continuous Electrodynamics. M .: Nauka, (2001), the maximum contribution to the total intensity of the measured fields will give a pointed end - “tip” - cracks. Based on these data, using well-known methods of reconstructing the coordinates of the radiation source from the data of a distributed sensor system, the position of the end of the crack and its dimensions are determined (see, for example, RD Barree, MK Fisher, RA Woodroof "A Practical Guide to Hydraulic Fracture Diagnostic Technologies", SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 29 September-2 October 2002, San Antonio, Texas, paper No. 77442-MS, F. Peterman, DL McCarley, KV Tanner, JH Le Calvez, WD Grant, CF Hals, L. Bennett, JC Palacio "Hydraulic-Fracture Monitoring as a Tool To Improve Reservoir Management", SPE Production Operations Symposium, April 16-19, 2005, Oklahoma City, Oklahoma, paper No. 94048-MS.

Измерения параметров электромагнитного поля и/или акустических сигналов, возникающих в результате приложения импульсов напряжения к жидкости гидроразрыва в процессе гидроразрыва, осуществляют по меньшей мере в одной скважине. Измерения могут проводиться в любой скважине, включая ту, в которой осуществляют гидроразрыв, при этом детекторы могут быть расположены на поверхности или в скважине.Measurements of the parameters of the electromagnetic field and / or acoustic signals resulting from the application of voltage pulses to the fracturing fluid during fracking are carried out in at least one well. Measurements can be taken in any well, including the one in which fracturing is carried out, while the detectors can be located on the surface or in the well.

Один из вариантов реализации изобретения предусматривает использование по меньшей мере двух скважин; электрические и/или акустические датчики распределяется по глубине измерительной скважины на уровне, близком к уровню трещины.One embodiment of the invention involves the use of at least two wells; electrical and / or acoustic sensors are distributed along the depth of the measuring well at a level close to the level of the crack.

Для измерения параметров электромагнитного поля и акустических сигналов используют стандартные датчики, хорошо известные специалистам в данной области техники.To measure the parameters of the electromagnetic field and acoustic signals using standard sensors, well known to specialists in this field of technology.

Известен эффект локализации электрического поля в областях с сильной геометрической неоднородностью. Сильное поле «концентрируется» вблизи острых поверхностей проводящих заряженых проводников и на поверхностях раздела между веществами с различными электрическими свойствами. В рассматриваемом случае в качестве таких веществ выступают слабопроводящая формация и высокопроводимая гидравлическая жидкость (гель). При приложении электрического импульса к жидкости (гелю) высокоинтенсивное электрическое поле наблюдается на поверхностях раздела и, в особенности, на остром конце трещины. Эти области могут являться источниками электромагнитного и акустического излучения, которое улавливается соответствующими детекторами. Детекторы могут быть расположены на поверхности или в скважине (для улучшения соотношения сигнал-шум). Анализируя сигналы различных детекторов, можно определять координаты конца трещины и некоторые ее геометрические параметры.The effect of localization of the electric field in regions with strong geometric heterogeneity is known. A strong field is "concentrated" near the sharp surfaces of the conducting charged conductors and on the interface between substances with different electrical properties. In the case under consideration, such substances are a weakly conductive formation and a highly conductive hydraulic fluid (gel). When an electric impulse is applied to a liquid (gel), a high-intensity electric field is observed at the interface and, in particular, at the sharp end of the crack. These areas can be sources of electromagnetic and acoustic radiation, which is captured by the respective detectors. Detectors can be located on the surface or in the well (to improve the signal-to-noise ratio). By analyzing the signals of various detectors, it is possible to determine the coordinates of the crack end and some of its geometric parameters.

Изобретение поясняется чертежами, где для вертикальной скважины (число скважин может быть любым) и горизонтального продуктивного пласта, на фиг.1 представлен вариант реализации способа для определения параметров трещины в процессе ее создания во время гидроразрыва, на фиг.2 - вариант реализации способа при проведении измерений в измерительной скважине.The invention is illustrated by drawings, where for a vertical well (the number of wells may be any) and a horizontal reservoir, figure 1 shows an embodiment of a method for determining the parameters of a crack during its creation during hydraulic fracturing, figure 2 shows an embodiment of the method during measurements in a measuring well.

Заявленный способ определения параметров трещины гидроразрыва пласта может быть осуществлен следующим образом.The claimed method for determining the parameters of hydraulic fracturing can be carried out as follows.

При осуществлении способа определения параметров трещины в процессе гидроразрыва в ствол скважины 1 насосом (не показан) нагнетают проводящую жидкость гидроразрыва. Жидкость гидроразрыва представляет собой в общем случае высоковязкую структурированную или неполимерную жидкость на водной или нефтяной основе, или на основе поверхностно-активного вещества. Жидкости на водной основе (полимерные или поверхностно-активные) крайне предпочтительны, или даже обязательны для оптимизации эффекта в скважинах, добывающих газ. Жидкость гидроразрыва нагнетают под давлением, достаточно высоким для того, чтобы произошел гидроразрыв пласта, тем самым обеспечивая перемещение жидкости в скважине 1. Величина давления жидкости гидроразрыва позволяет ей создать трещину 2 вокруг скважины 1 и проникать через поверхность трещины в зону фильтрации в продуктивном пласте вокруг трещины. От генератора 3 подается импульс напряжения, он прикладывается между электродом 4, размещенным в скважине 1 и находящимся в контакте с жидкостью гидроразрыва (или обсадной колонной; не показана), и электродом 5, заземленным на расстоянии от скважины 1, достаточном, чтобы избежать быстрой разрядки системы "жидкость гидроразрыва-заземленный электрод" за счет возникновения тока проводимости существенной величины между жидкостью и электродом в первые моменты времени после поступления импульса напряжения от скважины. Величина импульса напряжени подбирается в зависимости от глубины скважины 1. «Наконечник» трещины начинает интенсивно излучать электромагнитные и акустические волны, которые улавливаются набором соответствующих датчиков 6, подключенных к системе сбора и обработки информации 7, которые могут быть расположены на поверхности земли, как показано на фиг.1, или в измерительной скважине 8, как показано на фиг.2.When implementing the method for determining the parameters of a fracture during fracking, a conductive fracturing fluid is injected into the wellbore 1 by a pump (not shown). Hydraulic fracturing fluid is generally a highly viscous, structured or non-polymer liquid, based on water or oil, or based on a surfactant. Water-based fluids (polymer or surfactant) are highly preferred, or even required, to optimize the effect in gas producing wells. Hydraulic fracturing fluid is injected under a pressure high enough to cause hydraulic fracturing, thereby allowing fluid to move in well 1. The pressure of the hydraulic fracturing fluid allows it to create a crack 2 around well 1 and penetrate through the surface of the fracture into the filtration zone in the reservoir around the fracture . A voltage pulse is supplied from the generator 3, it is applied between the electrode 4 located in the well 1 and in contact with the fracturing fluid (or casing; not shown), and the electrode 5, grounded at a distance from the well 1, sufficient to avoid quick discharge fracturing fluid-grounded electrode systems due to the occurrence of a substantial conductivity current between the fluid and the electrode in the first moments of time after a voltage pulse arrives from the well. The magnitude of the voltage pulse is selected depending on the depth of the well 1. The “tip” of the crack begins to emit electromagnetic and acoustic waves intensively, which are captured by a set of appropriate sensors 6 connected to the information collection and processing system 7, which can be located on the earth’s surface, as shown in figure 1, or in the measuring well 8, as shown in figure 2.

Амплитуда изменения потенциала φ в точке А может быть оценена исходя из соотношения:The amplitude of the change in the potential φ at point A can be estimated based on the relation:

где d - диаметр скважины, R - расстояние от наконечника трещины до точки А (точки измерения потенциала), d_f - характерный линейный размер (толщина) трещины у места ее контакта со скважиной, R_f - кратчайшее расстояние от трещины до точки A, R_w - кратчайшее расстояние от скважины до точки A, k_w, k_f и k - коэффициенты пропорциональности вкладов от скважины, поверхности трещины и «наконечника» трещины, σ - поверхностная плотность заряда, пропорциональная приложенному напряжению. Известно (см., например, Ландау, Лифшиц «Электродинамика сплошных сред»), что для наконечников с малым углом раствора θ k>>k_w, k_f. Последнее соотношение математически выражает факт повышенного энерговыделения на конце трещины, что позволяет проводить контроль ее развития и геометрии (в том числе и в масштабе реального времени) путем использования известных методик восстановления координат источника излучения по данным распределенной системы датчиков. Частота подачи импульсов и проведения обработки измеренных данных может варьироваться в зависимости от желаемой частоты получения данных о геометрии трещины.where d is the diameter of the well, R is the distance from the tip of the fracture to point A (potential measuring point), d _f is the characteristic linear size (thickness) of the fracture at its contact with the well, R _f is the shortest distance from the fracture to point A, R _w is the shortest distance from the well to point A, k _w , k _f and k are the proportionality coefficients of the contributions from the well, the surface of the crack and the “tip” of the crack, σ is the surface charge density proportional to the applied voltage. It is known (see, for example, Landau, Lifshitz, "Continuous Electrodynamics"), that for tips with a small angle of solution θ k >> k _w , k _f . The last relation mathematically expresses the fact of increased energy release at the end of the crack, which allows monitoring its development and geometry (including in real time) by using well-known techniques for reconstructing the coordinates of the radiation source from the data of a distributed sensor system. The frequency of the pulses and the processing of the measured data may vary depending on the desired frequency of obtaining data on the geometry of the crack.

Claims

1. A method of controlling the development and geometry of a hydraulic fracture, comprising using at least one well, injecting hydraulic fracturing fluid into the wellbore under pressure, wherein a fluid with high electrical conductivity is used as a hydraulic fracturing fluid in relation to the formation conducting electric current, the application in the process of hydraulic fracturing of electric voltage to the hydraulic fracturing fluid through two electrodes, one of which is in contact with the hydraulic fluid and the other is grounded, and determining the geometry of the crack according to the sensor system, characterized in that a series of voltage pulses are applied to the fracturing fluid, the grounded electrode being installed at a distance from the electrode in contact with the fracturing fluid, sufficient to avoid electrical discharge fracturing fluid - grounded electrode systems in the first moments of time after the receipt of a voltage pulse from the well at the stage corresponding to the end of fracturing fluid charging The at least one downhole measured parameters of the electromagnetic field and / or acoustic signals resulting from the application of voltage pulses to the fracturing fluid, and further comprising determining coordinates of the crack tip.

2. A method for monitoring the development and geometry of a hydraulic fracture according to claim 1, characterized in that the parameters of the electromagnetic field and / or acoustic signals are measured using an automated system for collecting and processing data from a system of sensors distributed along the depth of the well or on the surface.

3. A method for controlling the development and geometry of a hydraulic fracture according to claim 1, characterized in that at least two wells are used, in one of which hydraulic fracturing is carried out, and measuring the parameters of the electromagnetic field and / or acoustic signals resulting from the application a series of voltage pulses to the fracturing fluid is carried out in another well at a level close to the level of the fracture resulting from the fracturing.