[发明专利]一种确定储层或目标区域的水力压裂裂缝几何形状的方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及水力压裂、监测和储层中的目标区域的微震信息的数据传输的领域，并且更具体地涉及用于在压裂操作期间探测微震事件的压裂处理井中的电气和物理隔离的井下声学监测设备的使用和采用。

背景技术

为提高油气层(hydrocarbon bearing formation)的生产率，水力压裂法已经在超过一百万个井(特别是那些钻在低渗透储层中的井)中使用超过60年。为了经济地生产天然气，据估计仅在美国就有90％的天然气井使用水力压裂法。成功的水力压裂法通常被认为对于从页岩层和其它致密气藏经济地生产天然气而言至关重要。

通常在竖直井、倾斜井和水平井中采用压裂处理操作。在典型的井开发作业中，处理井的井筒钻穿进行压裂处理的期望地层。

水力压裂裂缝通过以足以将井下压力增大至如下值的速度将流体泵抽到井筒中来形成：该值超过目标区域中的地层岩石的破裂梯度。压力引起地层开裂，从而允许压裂流体进入并且使裂缝进一步延伸到地层中。注射过程停止后保持该裂缝张开的一种方法是向压裂流体添加固体支撑剂。将支撑剂(其通常为过筛圆粒砂或其它无孔材料)输送到裂缝中。这种砂被选择为具有比周围地层的渗透性更高的渗透性，于是被支撑的水力压裂裂缝变为具有高渗透性的通道，地层流体可以通过该通道流到井中。

确定完成的水力压裂裂缝的尺寸和方向是相当困难和昂贵的，而较便宜的方案又非常不准确。众所周知，水力压裂会产生一系列小“地震”，而这一系列小“地震”可以映射以示出压裂事件的位置。目前使用的技术在单独的监测井中部署通常为地震检波器形式的一系列微震探测器，以在泵送水力压裂处理液时测量压裂事件。也可以在地面上部署地震检波器或倾斜仪，但随着在井中进入得更深，分辨率明显变小。

部署在地面上或附近监测井中的倾斜仪阵列测量竖直位移的水平梯度。部署在与目标区域邻近的附近监测井中或地面上的微震探测器阵列如果目标区域不太深和/或环境噪声不太大，则可以探测与不连续的裂缝开口事件相关联的单独微震事件。利用基于比较声波到达接收器阵列的各种传感器处的到达时间进行的三角测量方法，可以以三维的方式定位微震事件。通过映射与压裂过程中的不断增长的水力压裂裂缝相关联的小地震事件的位置，可以推断出裂缝的大致几何形状。

尽管使用与处理井分开设置的监测井通常是优选的(因为这种方案提高了精度，特别是在具有较高环境噪音和/或相对较难触及的地面条件的区域)，但钻一个监测井的成本通常需要大约1000万美元并且需要30-50天的钻井时间。此外，地面不动产或其它因素的可使用性可能使监测井不能被钻在离目标区域足够靠近的位置，从而会导致性能的下降。

为了尽量减少投资成本和部署时间，一些革新的操作者试图通过将声学传感器设置在处理井的环面中来建立监测井和处理井的组合，然而他们几乎没有什么成功。而其它一些操作者选择将声学传感器直接部署在处理流动路径中。

然而，本发明的发明人认识到，由于压裂流体的泵送，沿处理井的环面设置或在流动路径中设置的此类声学传感器在水力压裂事件期间会遇到大量的噪声，这进而导致了所收集的声学数据具有过低的信噪比。相应地，发明人还认识到，这种类型的监测可能通常仅在裂缝闭合时才提供可用的数据，从而使操作者错过了在泵送压裂浆液时发生的压裂事件。

本发明的发明人进一步认识到，由于电气参数/电力管道(例如，布设有声学传感器，以将数据发送到地面)的暴露限制，操作者被限制为某种浆液浓度，并且由于电线的线缆接头的压力限制，因此还受到压裂时能够施加的总压力量的限制。此外，本发明的发明人还认识到，在现有或将来可能的侧钻操作时在处理液流体内或环面附近部署声学传感器可能会妨碍此类操作。

因此，本发明的发明人认识到，需要只需单个处理井以减少投资成本和部署时间的系统和方法，该系统和方法包括隔离声学传感器的设置，以在向井下泵送压裂浆液的过程中收集具有可接受信噪比的声学数据。本发明的发明人还认识到，需要这样的系统和方法：其允许较高的浆液浓度，并且允许最佳压裂所需的总压力而无需考虑声学传感器的通信通路中的电线管道/线缆接头的压力限制，和/或不会妨碍现有或将来可能的侧钻操作。

发明内容