壓裂監(jiān)測(cè)的制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)涉及用于在油/氣井形成期間監(jiān)測(cè)水力壓裂的方法和設(shè)備。沿井眼（106）（其可以是執(zhí)行壓裂的井眼）向下部署的光纖線纜（102）被詢問以提供分布式聲學(xué)傳感器。數(shù)據(jù)從光纖的至少一個(gè)縱向感測(cè)部分采樣且被處理以提供至少一個(gè)壓裂特性。壓裂特性可以包括指示壓裂事件（606）的高頻瞬變。瞬變的強(qiáng)度、頻率、持續(xù)時(shí)間以及信號(hào)演變被監(jiān)測(cè)以提供壓裂特性。另外地或備選地，壓裂特性可以包括由到壓裂位點(diǎn)的壓裂流體流動(dòng)產(chǎn)生的較長(zhǎng)期聲學(xué)噪聲。噪聲的強(qiáng)度和頻率可以被分析以確定壓裂特性。該方法允許壓裂過程的實(shí)時(shí)控制。
【專利說明】壓裂監(jiān)測(cè)
[0001]本申請(qǐng)是于2011年7月22日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的申請(qǐng)?zhí)枮?01080005244.9且發(fā)明名稱為“壓裂監(jiān)測(cè)”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及對(duì)在諸如油和氣井的生產(chǎn)井的形成期間的壓裂進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在這種井的形成中使用的步驟的監(jiān)測(cè)和這種井在使用中的監(jiān)測(cè)通常被稱為井下監(jiān)測(cè)。具體而言，本發(fā)明涉及使用分布式聲學(xué)感測(cè)(DAS)的井下監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0003]光纖傳感器正變成用于例如地球物理應(yīng)用的廣泛應(yīng)用的已被大家接受的技術(shù)。光纖傳感器可以具有各種形式，且常被采用的形式是在心軸周圍布置光纖線圈。諸如地震檢波器或水中地震檢波器的點(diǎn)傳感器可以以這種方式制成以檢測(cè)一點(diǎn)處的聲學(xué)和地震數(shù)據(jù)，且這種點(diǎn)傳感器的大陣列可以連同使用光纖連接線纜而被復(fù)用以形成完全的光纖系統(tǒng)。無源復(fù)用可以全光學(xué)地實(shí)現(xiàn)，且優(yōu)點(diǎn)在于不需要電連接，這在電學(xué)裝置容易損害的苛刻環(huán)境中是有很大益處的。
[0004]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光纖傳感器在井下監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，且已知在井中或井周圍提供地震檢波器的陣列以檢測(cè)地震信號(hào)，其中目標(biāo)在于更好地理解局部地理狀況和提取過程。這種方法的問題在于地震檢波器傾向于相對(duì)大且所以難以在井下安裝。另外，地震檢波器傾向于具有有限的動(dòng)態(tài)范圍。
[0005]WO 2005/033465描述了一種使用具有很多周期性折射率擾動(dòng)的光纖(例如布拉格光柵)的井下聲學(xué)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。聲學(xué)數(shù)據(jù)被光纖的部分檢索到且用于在操作過程中監(jiān)測(cè)井下狀況。
[0006]壓裂是被稱為非常規(guī)井的一些油或氣井的形成期間的重要過程，以激勵(lì)來自巖層的油或氣的流動(dòng)。典型地，在巖層中鉆出鉆孔且內(nèi)部襯有套管。套管的外部可以使用水泥填充從而在流動(dòng)開始時(shí)防止含水土層等的污染。在非常規(guī)井中，巖層可能要求壓裂以激勵(lì)流動(dòng)。典型地，這通過射孔接著是水力壓裂的兩階段過程實(shí)現(xiàn)。射孔涉及射出來自套管內(nèi)的一系列射孔彈(即聚能彈)，該射孔彈產(chǎn)生通過套管和水泥延伸到巖層的射孔。一旦射孔完成，通過在高壓下將諸如水的流體泵浦到井下，巖石被壓裂。該流體因此被強(qiáng)制進(jìn)入射孔且在達(dá)到足夠壓力時(shí)導(dǎo)致巖石的壓裂。諸如沙子的固體微粒典型地被添加到流體中以打在形成的壓裂中且保持它們開放。這種固體微粒被稱為支撐劑。井可以在開始于距離井頭最遠(yuǎn)的井區(qū)段(sect1n)的一系列區(qū)段中射孔。因而，當(dāng)井的區(qū)段被射孔時(shí)，它可以被堵塞器阻斷，而井的下一區(qū)段被射孔且壓裂。
[0007]壓裂過程是非常規(guī)井形成中的關(guān)鍵步驟，且它是有效地確定井的效率的壓裂過程。然而，壓裂過程的控制和監(jiān)測(cè)十分困難。流體和支撐劑的數(shù)量以及流速一般被測(cè)量以幫助確定何時(shí)已經(jīng)發(fā)生足夠的壓裂且還在壓裂過程中識(shí)別潛在的問題。
[0008]當(dāng)環(huán)繞套管的水泥出現(xiàn)故障且流體簡(jiǎn)單地流到空隙中時(shí)發(fā)生一種已知為支撐劑沖蝕的可能問題。這浪費(fèi)了支撐劑流體且防止了高效的壓裂。高流速或流速中的突然增加可以指示支撐劑沖蝕。
[0009]另一問題涉及可能形成的這種情況:大多數(shù)流體和支撐劑經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)射孔流向巖層，防止了經(jīng)由其他射孔位點(diǎn)的有效壓裂。典型地，壓裂過程針對(duì)井的片段執(zhí)行，并且如上所述，若干射孔可以沿著該井區(qū)段的長(zhǎng)度形成，使得后續(xù)水力壓裂過程導(dǎo)致在沿著該井區(qū)段的很多不同位置處的壓裂。然而，在水力壓裂過程期間，一個(gè)或多個(gè)射孔位點(diǎn)處的巖石可能比其余射孔處的巖石更容易壓裂。在這種情況中，正形成的壓裂中的一個(gè)或多個(gè)可能開始獲取大部分流體和支撐劑，從而減小在其他射孔位點(diǎn)處的壓力。這可以導(dǎo)致其他射孔位點(diǎn)處的減小的壓裂。增加流體和支撐劑的流速可以簡(jiǎn)單地導(dǎo)致在第一射孔位點(diǎn)處的增加壓裂，這可以簡(jiǎn)單地放大壓裂且對(duì)經(jīng)由該壓裂容納多少油或氣沒有明顯的影響。然而，在其他位點(diǎn)處的減小壓裂可以減小經(jīng)由那些位點(diǎn)容納的油和氣的數(shù)量，因而整體上不利地影響井的效率。例如，假設(shè)井的區(qū)段在4個(gè)不同位置處射孔以用于后續(xù)壓裂。如果在壓裂過程期間3個(gè)射孔位點(diǎn)相對(duì)容易壓裂，則更多的流體和支撐劑將流向這些位點(diǎn)。這可能防止第四壓裂位點(diǎn)不斷形成足夠的壓力來有效地壓裂，其中結(jié)果是僅3個(gè)壓裂延伸到巖層中以提供流動(dòng)路徑。因而，井的該區(qū)段的效率僅是期望的理想情況的75%。
[0010]如果懷疑這種情形，附加的較大的固體材料可以添加到流體中，該固體材料典型地是特定大小或大小范圍的固體材料球。球的大小使得它們可以流入到相對(duì)大的壓裂中，在那里它們將被嵌入以導(dǎo)致堵塞，但是它們又足夠大而不干擾相對(duì)小的壓裂。以這種方式，可能消耗大多數(shù)壓裂流體的相對(duì)大的壓裂在水力壓裂過程期間被部分地阻斷，其中結(jié)果是到所有壓裂的流被平分。
[0011]常規(guī)地，壓裂流體的流動(dòng)狀況被監(jiān)測(cè)以試圖確定一個(gè)或多個(gè)壓裂位點(diǎn)是否正變得占主導(dǎo)且因而防止在一個(gè)或多個(gè)其他壓裂位點(diǎn)處的有效壓裂，但這是難以完成的且通常依賴于井工程師的經(jīng)驗(yàn)。
[0012]除了上述問題，僅僅控制壓裂過程以確保發(fā)生所期程度的壓裂也是困難的。而且，可能存在所提供的多于一個(gè)的井以從巖層提取油或氣。當(dāng)產(chǎn)生新井時(shí)，壓裂不應(yīng)擴(kuò)展到已經(jīng)提供現(xiàn)有井的巖層的區(qū)域中，因?yàn)樾戮巵碜赃@種區(qū)域的任何流動(dòng)可能簡(jiǎn)單地減小現(xiàn)有井處的流動(dòng)。然而確定壓裂的方向和程度是十分困難的。
[0013]除了監(jiān)測(cè)流體的流速之外，在壓裂過程期間可以從位于單獨(dú)觀察的井和/或在地平面處的傳感器獲取傳感器讀數(shù)。這些傳感器可以包括部署為在壓裂過程期間記錄地震事件的地震檢波器或其他地震傳感器。在壓裂過程之后，然后可以分析這些傳感器讀數(shù)以試圖確定壓裂的一般位置和程度，但是幾乎不提供用于壓裂過程的實(shí)時(shí)控制的作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供用于井下壓裂的監(jiān)測(cè)的改善的系統(tǒng)和方法。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于水力壓裂的井下監(jiān)測(cè)的方法，包括以下步驟:詢問沿著井眼的路徑向下布置的光纖以提供分布式聲學(xué)傳感器，從光纖的多個(gè)縱向部分采樣數(shù)據(jù)；以及處理所述數(shù)據(jù)以提供至少一個(gè)壓裂特性的指示。
[0016]分布式聲學(xué)感測(cè)(DAS)提供對(duì)于點(diǎn)傳感器的光纖感測(cè)的備選形式，由此單一長(zhǎng)度的縱向光纖通常通過一個(gè)或多個(gè)輸入脈沖被光學(xué)詢問以提供沿著其長(zhǎng)度的振動(dòng)活動(dòng)的基本連續(xù)感測(cè)。光學(xué)脈沖被發(fā)射到光纖中且從光纖內(nèi)反向散射的福射被檢測(cè)和分析。瑞利反向散射最常被檢測(cè)到。通過分析光纖內(nèi)反向散射的輻射，光纖可以有效地分成可以(但是不必)鄰近的多個(gè)離散的感測(cè)部分。在每個(gè)離散感測(cè)部分中，例如來自聲源的光纖的機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致從該部分反向散射的輻射數(shù)量中的變動(dòng)。該變動(dòng)可以被檢測(cè)和分析且用于給出該感測(cè)部分處光纖的擾動(dòng)強(qiáng)度的度量。當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“分布式聲學(xué)傳感器”將表示包括被光學(xué)地詢問以提供沿著光纖縱向分布的多個(gè)離散聲學(xué)感測(cè)部分的光纖的傳感器，且聲學(xué)將表示包括地震波的任何類型的機(jī)械振動(dòng)或壓力波。該方法因此可以包括將一系列光學(xué)脈沖發(fā)射到所述光纖中且檢測(cè)所述光纖瑞利反向散射的輻射；以及處理檢測(cè)的瑞利反向散射輻射以提供光纖的多個(gè)離散縱向感測(cè)部分。注意當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語光學(xué)不限制為可見光譜且光學(xué)輻射包括紅外輻射和紫外輻射。
[0017]單一長(zhǎng)度的光纖典型地是單模光纖，且優(yōu)選地沒有任何反射鏡、反射器、光柵或(缺少任何外部激勵(lì)的情況下)沿著其長(zhǎng)度沒有任何光學(xué)屬性的改變，即，缺少沿著其長(zhǎng)度的任何設(shè)計(jì)的光學(xué)變動(dòng)。這提供了這樣的優(yōu)點(diǎn):可以使用未經(jīng)修改的基本連續(xù)長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)光纖，要求很少的修改或無需修改或使用準(zhǔn)備。合適的DAS系統(tǒng)例如在其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此的GB2442745中描述。這種傳感器可以看作是完全分布式或本征傳感器，因?yàn)樗褂迷诠饫w中固有處理的本征散射，且因而貫穿整個(gè)光纖分布感測(cè)功能。
[0018]因?yàn)楣饫w不具有不連續(xù)性，所以通過光纖的詢問確定對(duì)應(yīng)于每個(gè)信道的光纖區(qū)段的長(zhǎng)度和布置。這些可以根據(jù)光纖和它監(jiān)測(cè)的井的物理布置且還根據(jù)所需監(jiān)測(cè)類型來選擇。這樣，沿著光纖的距離或在基本垂直井的情況中的深度以及每個(gè)光纖區(qū)段的長(zhǎng)度或信道分辨率可以根據(jù)改變輸入脈沖寬度和輸入脈沖占空比的詢問器的調(diào)節(jié)而變化，而不對(duì)光纖做任何改變。分布式聲學(xué)感測(cè)可以用40km或更長(zhǎng)的縱向光纖操作，例如，將感測(cè)的數(shù)據(jù)分解到1m的長(zhǎng)度。在典型的井下應(yīng)用中，幾公里的光纖長(zhǎng)度是常見的，即光纖沿著整個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度延伸且光纖的縱向感測(cè)部分的信道分辨率可以是大約Im或幾米。如上所述，空間分辨率(即光纖的各個(gè)感測(cè)部分的長(zhǎng)度)以及信道的分布在使用期間例如可以響應(yīng)于所檢測(cè)到的信號(hào)而變化。
[0019]在本發(fā)明的方法中，來自光纖的返回被處理以提供至少一個(gè)壓裂特性的指示。在諸如GB2442745中描述的DAS傳感器中，來自每個(gè)單獨(dú)聲學(xué)信道的處理可以實(shí)時(shí)地完成。因而，本發(fā)明的方法提供實(shí)時(shí)即沒有任何明顯延遲的壓裂特性的指示。當(dāng)前方法提供的壓裂特性的指示因此可以在控制壓裂過程中使用。本發(fā)明的方法在流體和支撐劑被強(qiáng)制向下進(jìn)入井眼的時(shí)間期間執(zhí)行且提供在井下發(fā)生什么的實(shí)時(shí)指示。這可以允許操作員在必要時(shí)基于壓裂特性的指示(即來自DAS傳感器的數(shù)據(jù))調(diào)節(jié)流動(dòng)參數(shù)、停止流動(dòng)或添加附加的固體材料。在一些實(shí)施例中，自動(dòng)控制器可以適配以基于壓裂特性自動(dòng)地調(diào)節(jié)流動(dòng)參數(shù)。
[0020]技術(shù)人員將意識(shí)到，將固有地存在在接收從光纖的相關(guān)區(qū)段反向散射的輻射中涉及的一些小延遲，因?yàn)檩椛浔仨殢陌l(fā)生散射的光纖的相關(guān)部分行進(jìn)回到光纖的端部處的檢測(cè)器。而且，將存在與檢測(cè)器的操作、數(shù)據(jù)的采樣和數(shù)據(jù)的處理相關(guān)的一些小的延遲，從而提供壓裂特性的指示。然而，根據(jù)本發(fā)明的DAS感測(cè)可以提供由光纖的感測(cè)部分檢測(cè)的聲學(xué)擾動(dòng)的指示而沒有來自實(shí)際擾動(dòng)的任何明顯延遲，即，幾秒或I秒內(nèi)，或者500ms、100ms、1ms內(nèi)的或更小的延遲。這可以通過使用商業(yè)上可得到的檢測(cè)器和處理器實(shí)現(xiàn)。
[0021]壓裂特性的指示可以包括來自位于壓裂位點(diǎn)附近的光纖的一個(gè)或多個(gè)選擇的感測(cè)部分的聲學(xué)信號(hào)的音頻回放。
[0022]光纖優(yōu)選地位于在其中執(zhí)行壓裂的井眼內(nèi)。在一種布置中，光纖沿著井套管的外部延伸，不過在一些實(shí)施例中光纖可以布置為在套管內(nèi)延伸。光纖可以在它被插入到井眼中時(shí)附接到井套管，且如果位于套管的外部上，則隨后被水泥鞏固在水泥鞏固的井的那些區(qū)段中的適當(dāng)位置。
[0023]光纖因此遵循井眼的一般路線且至少最遠(yuǎn)延伸到井眼中發(fā)生壓裂的區(qū)域。當(dāng)壓裂井眼的任何給定區(qū)段時(shí)，光纖因此可以被詢問以提供壓裂位點(diǎn)附近(即，沿著壓裂流體流動(dòng)或者期望流動(dòng)到巖層中以導(dǎo)致壓裂的井眼的位置)的一個(gè)或優(yōu)選地多個(gè)聲學(xué)感測(cè)部分。感興趣的感測(cè)部分的地點(diǎn)或位置一般從沿著光纖的長(zhǎng)度以及因此井的知識(shí)獲知。然而，當(dāng)執(zhí)行射孔時(shí)，該方法可以包括監(jiān)測(cè)通過射孔步驟產(chǎn)生的光纖中的聲學(xué)擾動(dòng)。在射孔期間的聲學(xué)擾動(dòng)可以用于確定對(duì)應(yīng)于壓裂位點(diǎn)的光纖的部分。例如，在射孔期間呈現(xiàn)最大聲學(xué)擾動(dòng)強(qiáng)度的光纖的部分將一般對(duì)應(yīng)于射孔彈射出的位置且因而對(duì)應(yīng)于壓裂位點(diǎn)。
[0024]來自其中期望壓裂的光纖的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)段的聲學(xué)信號(hào)因此可以在適當(dāng)?shù)囊纛l裝置上播放。這將為控制壓裂過程的人員提供在壓裂位點(diǎn)處發(fā)生什么的可聽得的反饋。流體和支撐劑的流動(dòng)將產(chǎn)生背景噪聲信號(hào)且壓裂將是聽上去對(duì)于操作員類似于爆裂聲的相對(duì)高強(qiáng)度的瞬變信號(hào)。監(jiān)聽緊挨著各個(gè)射孔位點(diǎn)的光纖的聲學(xué)信道產(chǎn)生的信號(hào)的操作員將因此被提供有支撐劑流體的流動(dòng)的實(shí)時(shí)音頻反饋以及在該壓裂位點(diǎn)處發(fā)生的任何結(jié)果所得壓裂。
[0025]將意識(shí)到，深井眼下的狀況可能是惡劣的且在水力壓裂期間更是如此。因此，在壓裂期間沿著井眼向下放置專用傳感器迄今仍沒得到實(shí)踐。本發(fā)明的方法使用可以位于井套管的外部上的光纖來提供正在壓裂的井眼中的井下傳感器。
[0026]指示還可以包括很多不同壓裂位點(diǎn)中的每一個(gè)附近的聲學(xué)擾動(dòng)的強(qiáng)度水平的比較。光纖的每個(gè)相關(guān)感測(cè)部分中的平均強(qiáng)度或聲學(xué)能量可以用于指示一個(gè)壓裂位點(diǎn)的執(zhí)行是否明顯不同于另一壓裂位點(diǎn)，例如，一個(gè)壓裂位點(diǎn)相比于另一壓裂位點(diǎn)是否與明顯更低地或更高的聲學(xué)能量相關(guān)聯(lián)。這可以用于指示特定一個(gè)或多個(gè)壓裂位點(diǎn)是否比其他壓裂位點(diǎn)更加活躍(active)或更加不活躍。
[0027]如果一個(gè)壓裂位點(diǎn)附近的光纖的聲學(xué)信道示出比其他壓裂位點(diǎn)明顯更高的聲學(xué)能量，則這可能是較大比例的支撐劑流體在該點(diǎn)流入到巖層中的符號(hào)。類似地，如果一個(gè)壓裂位點(diǎn)示出相對(duì)低的聲學(xué)強(qiáng)度，則這可能是沒有明顯的支撐劑流體流動(dòng)到巖層中的指示。因而，相對(duì)聲學(xué)強(qiáng)度可以用于指示一個(gè)或多個(gè)壓裂位點(diǎn)消耗更多的支撐劑流體和/或一個(gè)或多個(gè)壓裂位點(diǎn)相對(duì)不活躍。
[0028]該信息可以被控制壓裂過程的人員使用以修改支撐劑流動(dòng)狀況。例如，如上面所討論，流速可以改變或諸如顆粒大小的球的固體材料可以添加到流中以部分地阻斷占主導(dǎo)的壓裂位點(diǎn)。本發(fā)明的方法提供一種可靠的方法來確定一個(gè)或多個(gè)壓裂位點(diǎn)何時(shí)消耗大多數(shù)支撐劑，從而允許過程的操作員做出任何必要的改變。而且，本方法提供關(guān)于操作員做出的改變是否有效的實(shí)時(shí)反饋，例如在改善壓裂或在若干壓裂位點(diǎn)之間平分壓裂。如上所述，固體材料球可以添加到壓裂流體以部分地阻斷占主導(dǎo)的壓裂位點(diǎn)。選擇適當(dāng)大小或大小范圍的材料對(duì)于確保占主導(dǎo)的壓裂被部分地阻斷而其他壓裂不被明顯阻礙是重要的。添加的材料的大小的選擇和添加的材料的數(shù)量的選擇可能是極大的猜測(cè)。然而，使用本發(fā)明的方法，附加固體材料可以按階段添加，其中在不同階段添加不同大小，且對(duì)于在每個(gè)壓裂位點(diǎn)處的聲學(xué)強(qiáng)度的影響被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0029]針對(duì)正被監(jiān)測(cè)的分離聲學(xué)信道中的每一個(gè)，聲學(xué)信息可以被顯示為聲學(xué)能量(SP強(qiáng)度)的實(shí)時(shí)圖表。這為操作員提供了對(duì)于每個(gè)壓裂位點(diǎn)的相關(guān)活動(dòng)的視覺指示。也可以采用視覺地顯示數(shù)據(jù)的其他手段。
[0030]該方法可以涉及將來自光纖的縱向感測(cè)部分的數(shù)據(jù)分成一個(gè)或多個(gè)譜帶。換句話說，數(shù)據(jù)可以被過濾，從而僅包括特定譜帶的頻率范圍內(nèi)的頻率的聲學(xué)擾動(dòng)。通過譜帶分析數(shù)據(jù)可以更清晰地指示壓裂位點(diǎn)處各個(gè)信道之間的聲學(xué)差異。當(dāng)支撐劑流體流是包括微粒的高壓流體流時(shí)，它固有地是有噪聲的過程且將由于套管內(nèi)的流而存在各種聲學(xué)響應(yīng)。進(jìn)入射孔的流可以與特定頻率特性相關(guān)且因而流之間的差異可以在一個(gè)或多個(gè)特定譜帶處更容易覺察。
[0031]如上所述，水力壓裂步驟固有地是非常有噪聲的過程。因而，在發(fā)生壓裂的井眼中使用聲學(xué)傳感器提供關(guān)于壓裂發(fā)生的有用信息是令人驚喜的且在正執(zhí)行水力壓裂的井眼中使用井下分布式聲學(xué)傳感器提供關(guān)于壓裂過程的有用信息(即可以用于明智地修改過程的信息)代表本發(fā)明的另一方面。
[0032]在一些情況中，最感興趣的譜帶可以是提前已知的。然而，在一些其他情況中，井的動(dòng)力學(xué)和壓裂過程的動(dòng)力學(xué)可能完全影響光譜響應(yīng)。因此，在一些實(shí)施例中，該方法可以包括將來自光纖的相關(guān)感測(cè)部分的聲學(xué)擾動(dòng)分成多個(gè)譜帶，每個(gè)譜帶都可以顯示給操作員。不同的譜帶可以同時(shí)或相繼顯示給操作員或該操作員可以選擇顯示譜帶中的哪些譜帶。
[0033]譜帶可以被處理以自動(dòng)檢測(cè)感興趣的譜帶。例如，對(duì)于每個(gè)譜帶的數(shù)據(jù)可以被處理以檢測(cè)可能指示來自流入到射孔位點(diǎn)的支撐劑和流體的聲學(xué)信號(hào)的平均能量的明顯局部最大的存在。例如，當(dāng)基于光纖的知識(shí)預(yù)先確定時(shí)、當(dāng)通過操作員選擇時(shí)或者當(dāng)通過在射孔彈的射出期間的測(cè)量確定時(shí)，處理可以基于對(duì)應(yīng)于射孔位點(diǎn)的聲學(xué)信道的知識(shí)而限制。換句話說，譜帶將被分析以確定對(duì)應(yīng)于射孔位點(diǎn)的信道中的能量明顯高于其他附近信道的能量的譜帶。譜帶還可以被分析以檢測(cè)對(duì)應(yīng)于射孔位點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)信道的聲學(xué)能量明顯低于一個(gè)或多個(gè)其他射孔位點(diǎn)的聲學(xué)能量的任何譜帶?？梢韵虿僮鲉T顯示或強(qiáng)調(diào)相關(guān)的譜帶。
[0034]該方法還可以包括隨時(shí)間監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)于射孔位點(diǎn)的信道的相對(duì)聲學(xué)能量，例如以用于確定任何相關(guān)信道中的瞬變平均是否明顯變化和/或?qū)?yīng)于射孔位點(diǎn)的信道中的相對(duì)能量是否變化。如果聲學(xué)能量水平例如在對(duì)應(yīng)于射孔位點(diǎn)的特定信道的平均強(qiáng)度經(jīng)歷突然跳躍中明顯變化，或如果對(duì)應(yīng)于不同穿孔位點(diǎn)的兩個(gè)信道的相對(duì)強(qiáng)度偏離超過某一閾值，則處理可以為操作員產(chǎn)生警告，例如，可看到的和/或可聽到的警告。
[0035]在一些實(shí)施例中，可以分析來自位于射孔位點(diǎn)處的信道的頻率和/或強(qiáng)度信號(hào)以確定壓裂的特性。如上所述，由于壓裂流體經(jīng)由射孔位點(diǎn)流入巖層導(dǎo)致的聲學(xué)信道經(jīng)歷的機(jī)械擾動(dòng)可以包括可以取決于射孔的相對(duì)大小和當(dāng)前壓裂大小的頻率成分。因而，通過分析主要由于流體向壓裂的流動(dòng)引起的聲學(xué)信號(hào)的頻率或多個(gè)頻率，可以推斷壓裂的相對(duì)大小。
[0036]來自先前壓裂過程的歷史數(shù)據(jù)被收集和分析以幫助估算壓裂屬性。例如，如上所述，本發(fā)明的方法可以確定特定大小的固體材料的添加對(duì)于壓裂流體到多個(gè)不同壓裂的流動(dòng)的影響。因此，該方法可以包括記錄至少來自壓裂位點(diǎn)附近的聲學(xué)信道或多個(gè)聲學(xué)信道的數(shù)據(jù)以用于稍后的分析。盡管給操作員的實(shí)時(shí)反饋是有用的，但是可以執(zhí)行進(jìn)一步分析以改善在未來壓裂過程中可用的反饋。本發(fā)明還涉及歷史數(shù)據(jù)的分析以識(shí)別壓裂特性。
[0037]例如，檢查聲學(xué)響應(yīng)以查看當(dāng)添加特定大小的固體材料時(shí)信號(hào)如何改變以允許確定壓裂的一些大體尺寸。如果添加到流體的直徑為Dl的球不明顯影響特定壓裂的聲學(xué)響應(yīng)，而較小的直徑D2的球看上去影響流入到該壓裂的流，則可以推斷相關(guān)壓裂具有稍稍在Dl和D2之間的大體尺寸(有可能被調(diào)節(jié)來考慮球的材料的壓縮性)。因此可以分析某一大小范圍的壓裂的聲學(xué)響應(yīng)。例如，位于響應(yīng)于大小為D2而非大小為Dl的球的壓裂處的聲學(xué)信道可以呈現(xiàn)第一范圍的一串頻譜分量，但可以簡(jiǎn)單地示出第二頻譜范圍中的背景噪聲。當(dāng)添加大小為Dl或D2的球時(shí)信號(hào)中不呈現(xiàn)明顯變化(且因而可以假設(shè)為在某一維度中更小)的位于不同壓裂位點(diǎn)處的聲學(xué)信道可以在第一頻譜范圍中呈現(xiàn)不明顯的分量，但可以在第二頻譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯分量。如果針對(duì)特定巖層確定該數(shù)據(jù)，比如則它可以應(yīng)用于在相同巖層中執(zhí)行的新壓裂過程。例如，在壓裂期間聲學(xué)信道的頻譜響應(yīng)的實(shí)時(shí)分析可以用于推斷壓裂的大小。呈現(xiàn)給操作員的指示可以包括壓裂的大小的指示一這將例如在控制流動(dòng)參數(shù)時(shí)有用，且如有必要，在選擇添加到流體中的固體材料的合適大小時(shí)是有用的。
[0038]至少一個(gè)壓裂特性的指示可以包括在聲學(xué)信號(hào)中瞬變、尤其是相對(duì)高頻的瞬變的指示。感興趣的壓裂事件具有與在壓裂過程期間通過水和沙子的高壓流入導(dǎo)致的連續(xù)流動(dòng)噪聲明顯不同的性質(zhì)。一般地，它們通過下文中被稱為瞬變事件的短脈沖事件表征。該方法可以包括檢測(cè)這種瞬變以表征壓裂。例如，該方法可以包括實(shí)現(xiàn)查看從平均變化水平遠(yuǎn)離的短期變動(dòng)的技術(shù)(瞬變檢測(cè)器)以從背景和長(zhǎng)期噪聲提取這些事件。該方法還可以使用已知壓裂事件的特性來識(shí)別壓裂事件。已知壓裂事件的特性可以考慮正被壓裂的巖層的類型，即該方法可以查找與一般發(fā)生的壓裂相關(guān)的聲學(xué)“簽名”且這些簽名可以根據(jù)巖層的類型變化。
[0039]該方法可以包括指示已經(jīng)被檢測(cè)的瞬變的數(shù)目和/或瞬變發(fā)生的速率。當(dāng)瞬變指示壓裂且該過程旨在壓裂巖石以提供流動(dòng)路徑時(shí)，較高數(shù)目的瞬變可以指示壓裂過程進(jìn)行良好。瞬變的數(shù)目和/或速率因此提供壓裂特性的指示。瞬變的數(shù)目/速率可以中繼給壓裂過程的操作員且可以用于確定是否調(diào)節(jié)壓裂過程的參數(shù)。這可以考慮正被壓裂的巖層的類型。一些巖層可能相對(duì)容易地壓裂且所以可能期望以相對(duì)高速率的相對(duì)高數(shù)目的相對(duì)低強(qiáng)度的壓裂事件，即瞬變。其他巖層可能較不容易壓裂且因而導(dǎo)致相對(duì)較少且較不頻繁但是更加致密的壓裂事件和因此的瞬變。因?yàn)閷⒃诰纬芍霸u(píng)估巖層的類型，所以可以將檢測(cè)的瞬變的數(shù)目和/或類型與期望的數(shù)目/速率進(jìn)行比較。
[0040]還可以檢測(cè)瞬變信號(hào)的強(qiáng)度。聲學(xué)瞬變的強(qiáng)度可以與壓裂事件的能量相關(guān)。強(qiáng)度還可以與所得壓裂的程度，即，所得的壓裂有多長(zhǎng)相關(guān)。已知壓裂傳播多遠(yuǎn)可能是重要的信肩、O
[0041]該方法還可以包括識(shí)別例如可以指示相對(duì)高幅度壓裂事件的一系列相關(guān)瞬變。瞬變事件和/或一系列瞬變的持續(xù)時(shí)間還可以提供事件的幅度的指示。
[0042]很明顯，壓裂事件產(chǎn)生的地震波在它們經(jīng)過巖石時(shí)衰減且所以在光纖接收的來自進(jìn)一步遠(yuǎn)離的壓裂事件的信號(hào)被更多地衰減。因而，該方法可以涉及確定到壓裂事件的大體位置或至少范圍，使得衰減的程度可以被考慮進(jìn)來。例如，在光纖的不同感測(cè)部分處的特定瞬變事件的到達(dá)時(shí)間可以用于估算從瞬變的來源到光纖的各個(gè)區(qū)段的路徑長(zhǎng)度差異。使用多元靜態(tài)關(guān)聯(lián)類型技術(shù)，這可以用于估算到壓裂事件的來源的范圍。用于定位壓裂事件的來源的其他技術(shù)將在下面更詳細(xì)地描述。
[0043]可以分析瞬變信號(hào)的演變，即瞬變的持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和下降時(shí)間以確定壓裂事件的類型。不同類型的壓裂可以具有不同特性。例如，一些壓裂可能包括震裂類型的事件而其他壓裂可能包括巖石的層的分裂。針對(duì)不同的壓裂類型，能量?jī)?nèi)容和/或信號(hào)演變可以不同。
[0044]還可以分析檢測(cè)的瞬變的頻率特性例如以確定瞬變的一般頻率，即最大強(qiáng)度的頻率。還可以分析瞬變信號(hào)中的頻率擴(kuò)展。例如，其中能量集中在一個(gè)或多個(gè)窄頻率范圍中的瞬變可以指示與其中能量如果跨越相對(duì)寬范圍的頻率的瞬變不同類型的壓裂事件。該方法還包括分析不同頻帶中的相對(duì)強(qiáng)度，即聲學(xué)能量的頻率擴(kuò)展。
[0045]如上所述，瞬變的一般頻率或主導(dǎo)頻率可以提供壓裂的能量和/或類型的指示。一些巖石類型中較高的能量壓裂可以導(dǎo)致高頻率瞬變。導(dǎo)致單個(gè)壓裂的壓裂可以具有定義的頻率處的一個(gè)或多個(gè)頻率尖峰，而震裂類型的壓裂可以具有較大的頻率擴(kuò)展。因而，瞬變的頻率特性可以提供壓裂特性。
[0046]同樣，將要注意，壓裂與光纖的距離可以影響檢測(cè)的瞬變的頻率分量，因?yàn)椴煌念l率被衰減不同的量。因而，例如基于其與光纖的估算距離，通過用頻率相關(guān)權(quán)重加權(quán)瞬變事件，可以考慮壓裂事件的位置的指示。
[0047]該方法因此可以包括向操作員顯示關(guān)于瞬變事件的數(shù)目、速率、強(qiáng)度、信號(hào)演變、頻率和/或頻率擴(kuò)展的數(shù)據(jù)以作為壓裂特性的指示。該方法可以涉及提供壓裂的數(shù)目和/或速率、壓裂事件的大小或強(qiáng)度的所得指示、壓裂事件的類型的指示和/或如下所述壓裂強(qiáng)度和/或壓裂圖的指示。
[0048]該信息可以用于控制壓裂過程。如果檢測(cè)的瞬變不在所期速率或不以所期強(qiáng)度發(fā)生，或如果瞬變特性不匹配優(yōu)選壓裂類型，則流動(dòng)參數(shù)可以改變。因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)提供該信息，處理參數(shù)可以在反饋循環(huán)中調(diào)節(jié)以確定改變流動(dòng)參數(shù)是否改善了壓裂過程。例如，流速可以改變以確定在壓裂速率和壓裂發(fā)生的類型中是否存在作為結(jié)果的變化。
[0049]如上所述，該方法可以包括分析針對(duì)已知壓裂類型或指示優(yōu)選壓裂特性的一個(gè)或多個(gè)特定特性的瞬變。在壓裂過程和提供有用實(shí)時(shí)反饋期間收集的數(shù)據(jù)也可以被保留以用于進(jìn)一步分析。該數(shù)據(jù)還可以與在其他壓裂過程期間收集的其他數(shù)據(jù)一同分析以檢測(cè)在壓裂過程期間的任何共性。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不僅可以包括聲學(xué)數(shù)據(jù)，還可以包括關(guān)于巖石類型、流動(dòng)狀況等的數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)還可以與后續(xù)生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)以識(shí)別與好生產(chǎn)相關(guān)的瞬變的特性。
[0050]應(yīng)當(dāng)注意，在壓裂之后，井下采用的DAS傳感器還被用作在實(shí)際生產(chǎn)期間來自井的流入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以這種方式，油/氣到井中的流動(dòng)可以被監(jiān)測(cè)且來自每個(gè)不同壓裂位點(diǎn)的相對(duì)流動(dòng)可以被評(píng)估。測(cè)量井的頂部的總流動(dòng)指示整個(gè)井的整體壓裂過程。然而，通過使用DAS傳感器，可以評(píng)估來自每個(gè)壓裂位點(diǎn)或位點(diǎn)的集合的相對(duì)貢獻(xiàn)。
[0051]因此有可能將特定類型的瞬變(尤其是巖層)與好的結(jié)果產(chǎn)生的生產(chǎn)特性相關(guān)聯(lián)。因而，可以識(shí)別對(duì)于特定巖層的優(yōu)選類型的瞬變以及與該瞬變相關(guān)的特性。
[0052]以這種方式，在壓裂過程期間瞬變特性的檢測(cè)可以用于指示壓裂有多有效。該信息在控制壓裂過程中是有用的。例如，如果瞬變特性匹配對(duì)于特定巖層典型地導(dǎo)致好生產(chǎn)的那些特性，則壓裂過程可能不需要被持續(xù)達(dá)與在瞬變特性指示較不良好的后續(xù)生產(chǎn)的情況中的一樣長(zhǎng)。
[0053]很多油/氣井位于遙遠(yuǎn)的位置。傳輸壓裂所需的支撐劑的數(shù)量是一個(gè)很大的成本。如果需要的支撐劑的數(shù)量明顯減小而在所得的井的生產(chǎn)中沒有損耗，則這可以代表明顯的節(jié)省。本發(fā)明的方法可以用于監(jiān)測(cè)壓裂過程且可以通過向操作員提供瞬變特性來允許操作員確定何時(shí)最佳地中止該過程一因而減小支撐劑的浪費(fèi)。
[0054]而且，操作員能夠調(diào)節(jié)流動(dòng)參數(shù)以變動(dòng)瞬變(以及因此壓裂)特性以更好地模擬典型地將導(dǎo)致該種類型巖層中的好生產(chǎn)的特性。換句話說，操作員可以調(diào)節(jié)流動(dòng)屬性且確定對(duì)于瞬變特性的影響以產(chǎn)生具有所期特性的瞬變。以這種方式，過程可以被控制以改善所得的生產(chǎn)。
[0055]如上所述，該方法還可以包括確定瞬變的來源的方向，S卩，到產(chǎn)生瞬變的壓裂事件的位置的方向。該方法還可以包括確定到瞬變的來源的范圍。
[0056]例如，通過應(yīng)用多元靜態(tài)關(guān)聯(lián)技術(shù)，可以通過比較各個(gè)不同位置的地震擾動(dòng)的到達(dá)時(shí)間確定到壓裂事件的位置的方向。還可以通過測(cè)量光纖的不同區(qū)段的瞬變信號(hào)的到達(dá)時(shí)間以及可以測(cè)量或估算的通過巖層的地震波的傳播的速度值確定到頻率事件的范圍。取決于井眼的路徑，不同位置可以是沿著井眼的不同位置。然而，如果井眼一般是直的，諸如垂直井，或者一般位于單個(gè)平面中，諸如具有來自表面的垂直軸和直水平地下區(qū)段，則僅使用來自井下DAS的數(shù)據(jù)就可能導(dǎo)致一些潛在的混淆。
[0057]該方法因此可以包括使用來自另一位置的至少一個(gè)其他傳感器的數(shù)據(jù)。該至少一個(gè)附加傳感器可以包括另一光纖分布式聲學(xué)傳感器，例如放置在環(huán)繞區(qū)域中已存在井中的DAS傳感器和/或附近鉆出的觀察鉆孔中的DAS傳感器和/或布置在一般區(qū)域的表面處或其附近(諸如掩埋在溝槽中)的DAS傳感器。來自不同位置中的很多不同傳感器的數(shù)據(jù)的組合可以允許確定壓裂事件的來源點(diǎn)或至少來源的一般區(qū)域。這可以用于確定壓裂程度且控制壓裂過程。
[0058]例如，考慮其中現(xiàn)有垂直井存在且假設(shè)具有從井眼放射狀遠(yuǎn)離延伸距離F (例如，如由來自觀察鉆孔的地震數(shù)據(jù)的后處理確定)的壓裂的情形。在遠(yuǎn)離第一井距離D處，新的垂直井被鉆出，其中D比2F稍大。包括用于DAS的第一光纖的新的井眼然后被水平射孔且執(zhí)行水力壓裂。如果現(xiàn)有井還包括適于DAS、第二 DAS傳感器的光纖，則可以執(zhí)行水力壓裂且以上述方式基于來自第一 DAS的信號(hào)調(diào)節(jié)流動(dòng)參數(shù)。然而，另外，來自第一和第二 DAS傳感器二者的結(jié)果可以被分析以檢測(cè)可能是壓裂事件的瞬變且檢測(cè)在來自兩個(gè)光纖中的返回中的相同瞬變，例如用于查找相同頻率且具有相同一般強(qiáng)度剖面的聲學(xué)擾動(dòng)。如果識(shí)別了任何這種信號(hào)，則可以確定每個(gè)光纖處的到達(dá)時(shí)間。最初，因?yàn)閴毫咽录⒏拷戮?，所以第?DAS處的到達(dá)時(shí)間將先于第二 DAS處的到達(dá)時(shí)間。然而，當(dāng)壓裂過程繼續(xù)時(shí)，對(duì)于在現(xiàn)有井的一般方向中發(fā)生的任何壓裂，兩個(gè)DAS傳感器處的到達(dá)時(shí)間中的差異將減小。一旦檢測(cè)到與到達(dá)第二 DAS處幾乎同時(shí)的到達(dá)第一 DAS處的信號(hào)，這可以意味著壓裂事件幾乎如同靠近新井那樣靠近現(xiàn)有井。此時(shí)，壓裂過程可以停止以防止新壓裂延伸到現(xiàn)有井的區(qū)域中。
[0059]上述示例是非常簡(jiǎn)單的示例，且很明顯，壓裂事件可能并不在接合兩個(gè)井的直線上發(fā)生。從接合兩個(gè)井的線偏移的觀察鉆孔中的另一傳感器將允許實(shí)際位置的更好的辨另IJ。然而，將要注意，DAS傳感器之一可以提供在其中正在執(zhí)行壓裂過程的井眼中，且可以在現(xiàn)有井中提供另一 DAS傳感器。用于該DAS傳感器的光纖在形成現(xiàn)有井時(shí)被嵌入到井套管外部。因此，很明顯，DAS傳感器可能已經(jīng)處于適當(dāng)?shù)奈恢们也恍枰@出專門的觀察鉆孔。而且，可以使用現(xiàn)有井的DAS傳感器而無需暫停第一井的生產(chǎn)。在多個(gè)井眼中使用DAS傳感器進(jìn)行壓裂測(cè)繪的方法代表本發(fā)明的另一方面。因而，在另一方面中，提供一種在水力壓裂過程期間的壓裂測(cè)繪的方法，該方法包括以下步驟:在水力壓裂期間從多個(gè)井眼中的多個(gè)光纖分布式聲學(xué)傳感器接收數(shù)據(jù)；以及處理所述數(shù)據(jù)以檢測(cè)源于到達(dá)所述分布式聲學(xué)傳感器的每一個(gè)的壓裂事件的聲學(xué)擾動(dòng)；以及使用到達(dá)所述分布式聲學(xué)傳感器中每一個(gè)的時(shí)間來確定所述壓裂事件的來源的位置。
[0060]返回參考監(jiān)測(cè)壓裂過程的方法，至少一個(gè)壓裂特性的指示還可以包括支撐劑沖蝕的指示。如上所述，支撐劑沖蝕可能在壓裂流體發(fā)現(xiàn)不同于相關(guān)壓裂位點(diǎn)的流動(dòng)路徑(例如流入到巖層內(nèi)的空隙中或由水泥套管故障導(dǎo)致的空隙中)時(shí)發(fā)生。如上面所描述，在正常壓裂過程中，流體經(jīng)由如此形成的壓裂經(jīng)由射孔位點(diǎn)流入到巖層。在壓裂位點(diǎn)的上游，流體和支撐劑的流動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)擾動(dòng)但是擾動(dòng)的特性將不同。如果套管部分在射孔位點(diǎn)的上游發(fā)生故障，則由于在該點(diǎn)流入巖層的流動(dòng)，這將在故障位置產(chǎn)生明顯的聲學(xué)信號(hào)。而且，故障點(diǎn)下游的減小的壓力也是可檢測(cè)的。因而，該方法可以包括分析來自沿著井眼的長(zhǎng)度的光纖的感測(cè)部分的信號(hào)返回以檢測(cè)指示沖蝕的任何明顯信號(hào)。如果檢測(cè)到這種信號(hào)，則可以警報(bào)操作員和/或在一些實(shí)施例中可以自動(dòng)停止進(jìn)一步的流動(dòng)。
[0061]除了在壓裂過程期間檢測(cè)支撐劑沖蝕之外，該方法可以包括在水力壓裂步驟之前識(shí)別套管和/或環(huán)繞水泥的故障的任何可能點(diǎn)的步驟。如上所述，DAS傳感器可以在射孔彈的射出期間操作。射孔彈的射出將產(chǎn)生有效地聲學(xué)地激發(fā)井眼的相對(duì)致密的一系列聲學(xué)脈沖。如上所述，光纖可以嵌入到環(huán)繞套管的水泥中。傳送到光纖的振動(dòng)因此將部分地依賴于套管和環(huán)繞水泥的性質(zhì)。在水泥和套管是固體的位置中，光纖的感測(cè)部分可以經(jīng)歷第一類型的響應(yīng)。然而，在套管和/或環(huán)繞水泥出現(xiàn)故障的任何區(qū)域中，聲學(xué)響應(yīng)將變化。因而，該方法可以包括在水力壓裂之前獲得井眼的聲學(xué)剖面且分析所述剖面以檢測(cè)可能指示故障區(qū)域的任何異常。在一些實(shí)施例中，由于射孔彈射出，將在激發(fā)期間獲得聲學(xué)剖面，然而，聲學(xué)剖面由于其他激發(fā)諸如工具被插入井眼或從井眼抽出可以被附加地或備選地獲得和/或響應(yīng)于周圍環(huán)境噪聲的背景聲學(xué)剖面可以被獲得和分析。
[0062]本發(fā)明還涉及用于井下監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:光纖詢問器，其適于在沿著井眼的路徑布置的光纖上提供分布式聲學(xué)感測(cè)；采樣器，其布置為采樣來自所述詢問器的多個(gè)信道輸出以在多個(gè)時(shí)間中的每一個(gè)時(shí)從所述光纖的多個(gè)部分提供聲學(xué)數(shù)據(jù)；以及數(shù)據(jù)分析器，其適于處理所述采樣數(shù)據(jù)以檢測(cè)壓裂特性且提供所述壓裂特性的指示。
[0063]本發(fā)明的系統(tǒng)提供與如上所述的本發(fā)明的所有實(shí)施例相同的所有優(yōu)點(diǎn)且可以與其一同實(shí)現(xiàn)。
[0064]本發(fā)明還提供用于實(shí)施此處描述的方法中的任何一個(gè)和/或用于包含此處描述的設(shè)備特征中的任何一個(gè)的處理器、計(jì)算機(jī)程序和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，以及其上存儲(chǔ)有用于實(shí)施此處描述的方法中的任何一個(gè)和/或用于包含此處描述的設(shè)備特征中的任何一個(gè)的程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0065]本發(fā)明實(shí)質(zhì)上擴(kuò)展到如此處參考附圖描述的方法、設(shè)備和/或用途。
[0066]本發(fā)明的一個(gè)方面中的任何特征可以以任何適當(dāng)組合應(yīng)用于本發(fā)明的其他方面。具體而言，方法方面可以應(yīng)用于設(shè)備方面，且反之亦然。
[0067]而且，硬件中實(shí)現(xiàn)的特征一般可以以軟件實(shí)現(xiàn)，且反之亦然。此處對(duì)于軟件和硬件特征的任何弓I用應(yīng)相應(yīng)地理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]現(xiàn)在將參考附圖純粹通過舉例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選特征，附圖中:
圖1示出使用DAS監(jiān)測(cè)井的設(shè)備；
圖2圖示圖1的系統(tǒng)的輸出；
圖3是如本發(fā)明的實(shí)施例監(jiān)測(cè)的射孔事件的示意性表示；
圖4圖示用于壓裂監(jiān)測(cè)的地震監(jiān)測(cè)和參數(shù)化步驟；
圖5示出已使用變量統(tǒng)計(jì)增強(qiáng)的流入監(jiān)測(cè)的結(jié)果；
圖6a和6b圖示水力壓裂過程中的階段；
圖7a和7b圖示可以在水力壓裂過程期間獲得的信號(hào)返回；以及圖8圖示檢測(cè)多個(gè)位置處的壓裂事件的原理。

【具體實(shí)施方式】
[0069]沿著井的路徑包括光纖線纜102，在本示例中，所述井是氣井，且可以是海上的或近海的。井至少部分地通過插入到鉆孔106中的金屬生產(chǎn)套管104形成，其中套管的外壁和孔之間的空隙在本示例中被回填水泥108。生產(chǎn)套管由接合在一起的多個(gè)區(qū)段形成，且在某些實(shí)例中，這些區(qū)段將具有不同的直徑。以這種方式，套管直徑能夠朝向井底逐漸變窄。在圖1中可以看出，在該示例中，光纖經(jīng)過回填的水泥且實(shí)際上夾緊到金屬套管的外部。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如在本實(shí)例中，通過經(jīng)過回填的水泥約束的光纖相對(duì)于未受約束的光纖呈現(xiàn)出對(duì)某些事件的不同的聲學(xué)響應(yīng)。約束的光纖可以給出比未受約束的光纖更好的響應(yīng)，且因而可以有益于確保光纖約束在水泥中。約束和未受約束光纖之間的響應(yīng)中的差異還可以用作對(duì)于水泥的損害的指示器，如稍后描述，這可能是有利的。
[0070]光纖從井頭突出且連接到詢問器/處理器單元112。詢問器單元向光纖注入光且感測(cè)沿著光纖的長(zhǎng)度反向散射的輻射。特定形式的輸入光和單元的采樣/處理能力允許多個(gè)數(shù)據(jù)信道的同步輸出，每個(gè)信道對(duì)應(yīng)于在沿著光纖的特定距離處沿著光纖的特定區(qū)段感測(cè)的聲學(xué)數(shù)據(jù)。盡管詢問器/處理器單元在本文中被示為單個(gè)項(xiàng)目，但是硬件可以例如分在詢問器盒中，提供原始數(shù)據(jù)輸出、饋入PC或者便攜式計(jì)算機(jī)以提供數(shù)據(jù)處理能力。
[0071]從圖1的布置輸出的可能數(shù)據(jù)類型的示例在圖2中示出。此處，沿著y軸顯示信道號(hào)(以及因此基本垂直井的深度)，其中零代表最靠近表面的信道。示出了 400個(gè)信道。沿著X軸顯示作為幀號(hào)的時(shí)間以提供在新數(shù)據(jù)可用時(shí)連續(xù)刷新的“瀑布”圖。在上圖202中檢測(cè)的能量強(qiáng)度使用在右手邊示出的標(biāo)度被示為彩色或灰度以提供在一系列時(shí)刻中的每一個(gè)處沿著光纖的整個(gè)感測(cè)長(zhǎng)度的聲學(xué)能量分布的2D可視化。中間圖204示出在經(jīng)歷瞬變檢測(cè)之后的相同數(shù)據(jù)，如下面更詳細(xì)解釋，且下圖106示出根據(jù)圖的右邊的標(biāo)度的檢測(cè)的瞬變的頻率。該布置使得在每個(gè)采樣周期可以從所有信道獲得數(shù)據(jù)。在中間圖204和下圖206中，在y軸上表示從O到4000m的深度，其中在x軸上表示從O到10000s的時(shí)間。
[0072]提議使用上述系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)涉及壓裂的各種井下事件，包括射孔、堵塞器和/或封隔器坐封(packer setting)、壓裂、支撐劑沖蝕和流體流動(dòng)。另外，系統(tǒng)可以提供一般狀況監(jiān)測(cè)，并且在一些布置中，還可以允許與井下傳感器進(jìn)行通信。
[0073]在所謂的非常規(guī)井的提取過程中，一旦井已被鉆孔且套管被安裝(并且沿著井的路徑提供一個(gè)或多個(gè)光纖)，井被射孔以允許被提取的氣體或諸如油或水的流體的流入。這通常使用在“槍”中下降到井中且在所期深度和取向出射出的聚能彈實(shí)現(xiàn)。彈藥刺穿套管且使得相鄰巖石(以及如果存在，諸如水泥的任何填充材料)破裂。圖6a圖示井眼的一個(gè)區(qū)段，其中使用與上面關(guān)于圖1描述的相同標(biāo)號(hào)來圖示井眼的各個(gè)組件。圖6a圖示在不同深度的射孔彈被射出以形成通過套管104和水泥108進(jìn)入到周圍的巖層的射孔601、602、603。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，射孔彈可以布置為以不同方向射入巖層中，然而為清楚起見，以相同的通用方向圖示所有射孔。當(dāng)對(duì)要射出的射孔彈取向時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意不要將射孔彈射出在光纖102處。這可以通過確保光纖和/或光纖封裝附近的井套管提供相對(duì)強(qiáng)的磁簽名且在射孔彈管柱(string)上使用磁異常檢測(cè)器來確定和避免將彈藥瞄準(zhǔn)所述簽名的相對(duì)位置處而實(shí)現(xiàn)。
[0074]在射孔之后，射孔彈管柱被去除且諸如水的流體和諸如沙子的固體支撐劑的混合物以高壓強(qiáng)制到井下以沿著弱應(yīng)力線壓裂巖石且產(chǎn)生和放大用于氣或其他流體進(jìn)入井的先導(dǎo)路徑。
[0075]一旦在一個(gè)水平產(chǎn)生了一組壓裂，可能希望在另一水平產(chǎn)生另一組壓裂。堵塞器因而被插入到井下以阻斷剛剛被射孔的井的區(qū)段。射孔和壓裂過程然后在不同水平處重復(fù)。圖6a圖示隔離先前已被壓裂的井的較深部分的堵塞器604。
[0076]該過程一直重復(fù)，直到已經(jīng)完成所有必須的壓裂為止。此時(shí)，生產(chǎn)管道可以插入到井眼下且封隔器可以插入在生產(chǎn)管道和套管之間以封閉間隙。
[0077]一旦完成，井開始生產(chǎn)，其中產(chǎn)物從相鄰巖層進(jìn)入套管且被傳輸?shù)奖砻妗?br> [0078]射孔監(jiān)測(cè)
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，DAS傳感器用于監(jiān)測(cè)射孔事件。監(jiān)測(cè)射孔事件可以達(dá)到至少兩個(gè)不同的目的。首先，可以確定射孔的位置?？赡茈y以精確地控制鉆孔中射孔的位置和方向且檢測(cè)射孔的位置對(duì)于確定感興趣的精確區(qū)域以用于后續(xù)水力壓裂步驟中的監(jiān)測(cè)是有用的。而且，檢測(cè)射孔的方向在幫助控制和計(jì)劃其他射孔方面在其自身利益方面是有用的。檢測(cè)射孔類型事件的能力將在稍后描述。而且，射孔事件的聲學(xué)簽名可以與某些期望特性進(jìn)行比較以確定是否滿意地發(fā)生射孔。
[0079]除了監(jiān)測(cè)射孔本身之外，射孔事件是聲學(xué)地激發(fā)大部分井眼(即套管、水泥，已經(jīng)處于適當(dāng)位置的堵塞器等)的相對(duì)高能量的事件。對(duì)射孔事件的聲學(xué)響應(yīng)允許井眼的聲學(xué)剖面被收集和評(píng)估。
[0080]在射孔事件期間在鉆出孔的長(zhǎng)度上在0.2Hz和20kHz之間采樣聲學(xué)數(shù)據(jù)。每個(gè)信道中存在的能量通過帶通濾波器且然后進(jìn)行rms能量計(jì)算而監(jiān)測(cè)，或者通過執(zhí)行FFT以及對(duì)上頻帶和下頻帶之間的功率求和(典型地512pt FFT, 50%交疊，如果采樣速率是有效的則在300和5kHz之間濾波)而監(jiān)測(cè)。可以產(chǎn)生針對(duì)時(shí)間和深度(或位置)的檢測(cè)能量的2D數(shù)據(jù)陣列。
[0081]通過識(shí)別峰值的數(shù)據(jù)陣列的進(jìn)一步處理揭示脈沖射孔信號(hào)向上和向下傳播到井套管以及巖石中。因此可以產(chǎn)生如上所述的能量圖，且可以識(shí)別跟蹤如圖3所示的脈沖的進(jìn)程的軌跡。
[0082]可識(shí)別軌跡的梯度可以被測(cè)量，因?yàn)樗悄芰客ㄟ^井套管傳播的速率。這給出了介質(zhì)中傳輸速度的量度。這可以用于指示不同的井套管的區(qū)域，因?yàn)樗鼈兊膫鞑ニ俣茸兓＿@可以指示套管附接的問題或套管本身中的結(jié)構(gòu)問題。
[0083]自動(dòng)化跟蹤算法可以用于計(jì)算該能量軌跡的速度且確定速度變化的區(qū)域。
[0084]提出的算法將建立于這一假設(shè):感興趣的事件遠(yuǎn)大于井的正常狀態(tài)，使得識(shí)別為射孔事件的能量中的峰值可以被可靠地識(shí)別。然后，峰值可以在連續(xù)時(shí)間幀上相關(guān)聯(lián)，其中可以計(jì)算l、2、3、一10s上的平均速度。進(jìn)一步的改善將跟蹤相同時(shí)間的多個(gè)峰值(用于在多個(gè)反射的情況中區(qū)分主脈沖)。
[0085]圖3的進(jìn)一步檢查示出清晰的能量反射點(diǎn)。這些位點(diǎn)在套管中的接合處出現(xiàn)且可以為工程師提供關(guān)于套管的長(zhǎng)度上接合的質(zhì)量的信息。在材料中存在明顯失配的任何地方，可能發(fā)生部分反射，且失配越大，反射系數(shù)越大。諸如破裂或坑陷的其他材料故障能顯著影響沿著套管和光纖的能量的傳播，且可以使用該方法識(shí)別。
[0086]例如，可以評(píng)估環(huán)繞套管的水泥的狀況?；蛘哂捎谧鳛樵缦壬淇椎慕Y(jié)果的制造或者由于壓裂事件，水泥的聲學(xué)響應(yīng)可以在水泥中存在明顯空隙的區(qū)域中變化。水泥中的空隙可能是有問題的，因?yàn)槿绻诳障兜膮^(qū)域中發(fā)生后續(xù)射孔，則當(dāng)流體和支撐劑被泵浦到井眼中時(shí)，它可能不流入到巖石中的射孔而是流入到空隙中一浪費(fèi)了大量的支撐劑且在解決問題的同時(shí)暫停井的形成。圖6a圖示水泥108中的空隙605能在射孔之一(在該示例中為射孔603)的位置處存在。如果檢測(cè)到這種空隙，例如在針對(duì)井的較低區(qū)段執(zhí)行射孔步驟期間，該區(qū)域中的射孔能被避免和/或空隙能在射孔之前被填充。
[0087]如上所述，未受約束光纖的響應(yīng)不同于受約束光纖的響應(yīng)且因而如果光纖自身經(jīng)過水泥中的空隙且因而在該區(qū)域中未受約束，則聲學(xué)響應(yīng)將十分不同。因而，本發(fā)明可以包括檢測(cè)環(huán)繞套管的水泥中的空隙。
[0088]堵塞器604的定位和狀況也可以以這種方式評(píng)估。如果堵塞器604不設(shè)置在正確的位置或有缺陷且已經(jīng)出故障或可能出現(xiàn)故障，則在水力壓裂過程期間，流體可能被強(qiáng)制進(jìn)入井的不希望部分，導(dǎo)致支撐劑和時(shí)間的損耗且可能潛在地影響前面成功的壓裂。通過提前確定堵塞器未被正確地設(shè)置，在水力壓裂過程開始之前，新的塞子可以被插入到所需的地方。
[0089]壓裂流體和支撐劑監(jiān)測(cè)
如圖6b所示，一旦已經(jīng)形成射孔，流體和支撐劑就可以流入到井中以導(dǎo)致壓裂606。射孔附近的光纖的聲學(xué)信道的聲學(xué)響應(yīng)被監(jiān)測(cè)。包括通過套管104的固體微粒的高壓流體的流動(dòng)產(chǎn)生很多聲學(xué)擾動(dòng)且對(duì)應(yīng)于發(fā)生流動(dòng)的井眼的區(qū)段的光纖的所有信道將產(chǎn)生示出聲學(xué)響應(yīng)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，射孔位點(diǎn)附近的聲學(xué)信道呈現(xiàn)與進(jìn)入到射孔位點(diǎn)的壓裂流體的流動(dòng)和壓裂發(fā)生相關(guān)的聲學(xué)響應(yīng)。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過查看聲學(xué)擾動(dòng)的離散的頻帶該響應(yīng)可以更醒目。
[0090]圖7a圖示在水力壓裂過程期間可以通過圖6a (假設(shè)空隙605不存在)中圖示的射孔位點(diǎn)附近的光纖的多個(gè)聲學(xué)信道檢測(cè)的聲學(xué)強(qiáng)度。箭頭601、602和603圖示射孔位點(diǎn)的位置。虛線曲線700圖示光纖檢測(cè)的所有聲學(xué)擾動(dòng)的歸一化平均強(qiáng)度?？梢钥闯?，貫穿示出的區(qū)段存在一般水平的光纖的聲學(xué)區(qū)段的擾動(dòng)，不過對(duì)于表示堵塞器604下的井眼的區(qū)段的信道，強(qiáng)度降低。在射孔位點(diǎn)601、602和603附近，存在聲學(xué)強(qiáng)度的稍微增加。然而實(shí)線曲線701示出譜帶內(nèi)針對(duì)擾動(dòng)的歸一化聲學(xué)強(qiáng)度，S卩，具有特定范圍內(nèi)的頻率的擾動(dòng)?？梢钥闯觯淇孜稽c(diǎn)附近的信號(hào)中的強(qiáng)度差異更加明顯。感興趣的精確頻帶可以根據(jù)井眼、套管和周圍巖層的參數(shù)以及壓裂流體的流動(dòng)參數(shù)(即壓力、流速、支撐劑類型和比例等)變化。信號(hào)返回因此可以在很多不同頻帶中處理且同時(shí)(即，以不同圖表或者不同顏色的交疊曲線)或者順序地或者由用戶選擇地顯示給操作員。數(shù)據(jù)還可以被處理以自動(dòng)檢測(cè)提供射孔位點(diǎn)附近的信道和井的其他區(qū)段的信道的強(qiáng)度之間的最大差異的譜帶。
[0091]曲線701圖示每個(gè)射孔位點(diǎn)的聲學(xué)響應(yīng)幾乎相同。這可以指示壓裂流體被等同地強(qiáng)制進(jìn)入所有射孔位點(diǎn)且它們?nèi)季哂蓄愃频奶匦浴?br> [0092]然而，在一些實(shí)例中，一些壓裂位點(diǎn)可能比其他位點(diǎn)更活躍。圖6b表示射孔位點(diǎn)601和602已經(jīng)由壓裂流體強(qiáng)制進(jìn)入其中而放大且?guī)r層在壓裂點(diǎn)606壓裂的逐步形成的情形。然而，在射孔位點(diǎn)603，沒有出現(xiàn)明顯的壓裂。這可能因?yàn)楹芏嘣蚨霈F(xiàn)，但是一旦形成這種情形，大多數(shù)壓裂流體可以流入到射孔位點(diǎn)601和602中，其中結(jié)果是位點(diǎn)603保持不活動(dòng)。如果這種情形繼續(xù)，則最終，當(dāng)壓裂過程完成時(shí)，僅射孔位點(diǎn)601和602將為油或氣提供流動(dòng)到井眼的明顯路徑且因而井的該區(qū)段將比預(yù)想得低效。
[0093]為了補(bǔ)救這種情形，壓裂位點(diǎn)601和602可以通過向壓裂流體添加固體材料以導(dǎo)致阻斷而部分地阻斷。然而，先前沒可能以任何可靠地方式確定所有壓裂位點(diǎn)是否以相同的方式壓裂。然而，本發(fā)明提供用于監(jiān)測(cè)壓裂流體的流動(dòng)且確定所有壓裂是否同等地進(jìn)行的可靠的實(shí)時(shí)機(jī)制。圖7b圖示可能從圖6b中示出的情形產(chǎn)生的聲學(xué)響應(yīng)。虛線曲線703示出總強(qiáng)度，即，針對(duì)跨越所有頻率的每個(gè)信道的聲學(xué)能量。該曲線再次確實(shí)示出一般趨勢(shì)但是查看實(shí)線曲線704將更清晰，該實(shí)線曲線704再次示出來自窄頻譜范圍的聲學(xué)響應(yīng)。曲線704示出盡管由于流入到射孔位點(diǎn)且導(dǎo)致壓裂的壓裂流體的原因在射孔位點(diǎn)601和602存在大信號(hào)強(qiáng)度，在該情形中，在射孔位點(diǎn)703附近不存在這種響應(yīng)。這指示經(jīng)由射孔位點(diǎn)603的任何壓裂的程度明顯受到限制。
[0094]通過實(shí)時(shí)地向操作員顯示這種圖形表示，操作員接收允許他查看壓裂過程如何進(jìn)行且壓裂過程是否存在任何問題的信息。對(duì)應(yīng)于流入到射孔位點(diǎn)且導(dǎo)致壓裂的壓裂流體的聲學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度和/或頻率值也可以被分析以確定關(guān)于壓裂的一些參數(shù)，諸如壓裂的一般大小和/或壓裂的速率。
[0095]除了例如在控制室等內(nèi)提供可見的顯示之外，特定聲學(xué)信道被選擇以用于聽得到的回放。換句話說，操作員可以聽到由光纖的特定區(qū)段檢測(cè)的信號(hào)。本質(zhì)上，光纖的相關(guān)區(qū)段用作麥克風(fēng)。在水力壓裂期間實(shí)時(shí)監(jiān)聽地下深井的一區(qū)段處的信號(hào)的能力被認(rèn)為是新穎的。通過監(jiān)聽檢測(cè)的信號(hào)，操作員可以感覺到壓裂過程以及壓裂如何進(jìn)行。通過在與各個(gè)壓裂位點(diǎn)相關(guān)的信道之間交換，操作員可以自己確定在各個(gè)射孔位點(diǎn)的壓裂中是否存在任何顯著差異和/或?qū)τ诹鲃?dòng)參數(shù)的改變是否具有任何顯著影響。
[0096]如上所述，在一些實(shí)例中，壓裂流體可以不流入到巖石中且可能發(fā)生支撐劑沖蝕。在正常操作中，支撐劑流體的流動(dòng)一般將以某一速率進(jìn)行且具有某一特性。如果流體發(fā)現(xiàn)另一路徑或正確地停止壓裂，則井中的流動(dòng)狀況可以變化。在支撐劑流體流動(dòng)期間的聲學(xué)響應(yīng)因此可以被監(jiān)測(cè)以檢測(cè)任何顯著變化。如果套管的不同部分出現(xiàn)故障，則這可以通過信號(hào)的突然出現(xiàn)(諸如井眼的不同該部分處的信號(hào)分量705)變得明顯。這種分量的檢測(cè)可以用于產(chǎn)生警報(bào)。
[0097]地震壓裂監(jiān)測(cè)
巖石的實(shí)際壓裂導(dǎo)致的地震和壓裂事件具有與壓裂過程期間水和沙子的高壓流入導(dǎo)致的連續(xù)流動(dòng)噪聲明顯不同的性質(zhì)。一般而言，它們通過短脈沖的事件一此后稱為瞬變事件來表征。查看遠(yuǎn)離平均變量水平的短期變動(dòng)的技術(shù)(瞬變檢測(cè)器)將從背景和長(zhǎng)期噪聲提取這些事件。一般處理方法在圖4中闡述。
[0098]通過以這種方式處理接收的聲學(xué)數(shù)據(jù)以強(qiáng)調(diào)瞬變事件，可以檢測(cè)和觀察壓裂事件，且可以確定各種參數(shù)。
[0099]可以根據(jù)在定義的周期或深度范圍上檢測(cè)的壓裂的數(shù)目和/或強(qiáng)度確定壓裂發(fā)生的速率或壓裂密度。
[0100]對(duì)于垂直井區(qū)段，可以根據(jù)檢測(cè)壓裂事件的一個(gè)或多個(gè)信道來確定發(fā)生壓裂的深度。對(duì)于井的水平區(qū)段，類似地，壓裂可以被定位于特定水平區(qū)段。如果壓裂事件被多個(gè)信道檢測(cè)，則首先接收信號(hào)的信道可以被認(rèn)為最靠近壓裂事件且因而用于識(shí)別井的相關(guān)區(qū)段，例如垂直井區(qū)段的深度。而且，多個(gè)信道處的到達(dá)時(shí)間可以用于提供到壓裂的范圍的估算。通過估算地震信號(hào)的傳播的速度，可以計(jì)算從光纖的感測(cè)區(qū)段到源的相對(duì)路徑差異，且假設(shè)在光纖的大不相同的感測(cè)區(qū)段處檢測(cè)相同的瞬變，則可以確定瞬變的源的范圍。
[0101]可以確定壓裂幅度的量度。瞬變的強(qiáng)度可以指示壓裂的幅度，不過來自更遠(yuǎn)壓裂的信號(hào)將由于通過地面行進(jìn)而比來自附近的壓裂更多地衰減且所以強(qiáng)度可能需要根據(jù)壓裂的距離而加權(quán)。瞬變的頻率含量還可以指示壓裂的幅度。較大幅度的壓裂可以產(chǎn)生較大頻率的瞬變。壓裂的測(cè)量的持續(xù)時(shí)間，即瞬變或一系列相關(guān)瞬變的持續(xù)時(shí)間可以指示高幅度壓裂事件。而且，從單個(gè)事件接收瞬變或一系列瞬變的光纖的信道的數(shù)目可以指示壓裂的程度或跨度。
[0102]為了提供用于頻率的單個(gè)參數(shù)，可以使用事件的頻譜形狀的平均頻率?？梢源_定的其他頻率參數(shù)包括諸如傾斜和峰度的二次統(tǒng)計(jì)。
[0103]可以確定壓裂事件的類型的指示。例如，以相對(duì)干凈的剪切壓裂巖石地層的壓裂事件可以產(chǎn)生具有特定頻率特性的瞬變，例如，能量可以集中在一個(gè)或多個(gè)窄頻帶中。更像將巖石軋碎成多個(gè)段的震裂事件的壓裂可以產(chǎn)生具有較大頻率擴(kuò)展的瞬變。而且，瞬變或一系列瞬變中的信號(hào)強(qiáng)度的演變可以指示壓裂的類型。
[0104]瞬變特性可以與例如從歷史壓裂信息獲得的已知壓裂類型的一個(gè)或多個(gè)已知特性進(jìn)行比較。例如，瞬變特性可以在被證明是有效生產(chǎn)井的井的壓裂過程期間與在類似巖層中檢測(cè)的瞬變特性進(jìn)行比較。
[0105]可以基于壓裂事件的頻率特性做出井的范圍的估算，因?yàn)樾盘?hào)的不同頻率分量經(jīng)歷不同水平的衰減。
[0106]為了在其他背景數(shù)據(jù)中識(shí)別瞬變，將短期可變性的量度與對(duì)于給定信道的正?；蚱骄勺冃赃M(jìn)行比較。
[0107]在一個(gè)實(shí)施例中，這通過聚集(populate)代表平均能量和關(guān)于平均值的平均絕對(duì)偏差(MAD:當(dāng)前值和平均值的絕對(duì)差的平均值)的統(tǒng)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
[0108]使用衰減項(xiàng)N，當(dāng)接收每個(gè)數(shù)據(jù)更新時(shí)，這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)通過指數(shù)平均更新。
[0109]平均值數(shù)據(jù)=((N-1)/N)*平均值數(shù)據(jù)+(1/N)*新數(shù)據(jù) MAD = ((N-1) /N) *MAD數(shù)據(jù)+ (1/N) *abs (新數(shù)據(jù)-平均值數(shù)據(jù))
其中數(shù)據(jù)首先經(jīng)歷FFT且其中在每個(gè)信道和每個(gè)頻率單元執(zhí)行計(jì)算。
[0110]瞬變水平然后被定義為:
Abs I新數(shù)據(jù)-平均值數(shù)據(jù)I /MD
這給出了關(guān)于多少特定頻率單元在可變性方面高于其平均可變性的值。因此，十分易變的信道是自調(diào)節(jié)的且它僅是檢測(cè)的過度和不尋常的可變性。通過改變N的值，算法可以調(diào)諧為檢測(cè)不同長(zhǎng)度的瞬變事件。典型地，使用4，6，8，...128的因子但是這些依賴于所需的瞬變的長(zhǎng)度和系統(tǒng)的FFT速率。通過在頻域執(zhí)行這種過程，在用于形成瞬變事件的頻率上實(shí)現(xiàn)高度的控制，且瞬變頻譜結(jié)構(gòu)的知識(shí)被計(jì)算且保存以用于特征提取。
[0111]算法根據(jù)是否觸發(fā)瞬變而自適應(yīng)地選擇指數(shù)因子。當(dāng)重新計(jì)算平均值和中間值時(shí)，如果頻率單元高于閾值，則在檢測(cè)時(shí)，它將針對(duì)N使用不同值(在該示例中，使用100N)，這意味著與正常事件相比，瞬變事件被包括在更減小的速率的一般統(tǒng)計(jì)中。
[0112]還可以監(jiān)測(cè)壓裂事件的位置以允許壓裂測(cè)繪或壓裂密度測(cè)繪。在典型的生產(chǎn)環(huán)境中，在相同的油或氣田中可以存在若干井。理想地，每個(gè)井開采該田的不同部分。然而，在一個(gè)井中產(chǎn)生的壓裂可能運(yùn)行到與來自其他井的壓裂相同的區(qū)域中。在該實(shí)例中，新的井可能不增加生產(chǎn)，因?yàn)樾戮幍娜魏紊a(chǎn)減小舊井的生產(chǎn)。因此，希望監(jiān)測(cè)壓裂的位置。DAS系統(tǒng)的使用提供了實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)發(fā)生壓裂事件的地點(diǎn)的能力，因而允許對(duì)壓裂過程的控制。
[0113]驚喜地發(fā)現(xiàn)，DAS系統(tǒng)可以用于單獨(dú)地檢測(cè)P和S波。P波(壓力波或初波)是通過固體材料傳播的縱向波。S波是作為橫向波的剪切波或次波。其內(nèi)容通過參考結(jié)合于此的共同未決的專利申請(qǐng)PCT/GB2009/002055描述了 DAS系統(tǒng)如何可以用于監(jiān)測(cè)P和S波且區(qū)分它們。檢測(cè)壓裂事件的S波可以允許確定位置。為了確定壓裂事件的位置，可以使用多個(gè)光纖和/或到達(dá)時(shí)間類型技術(shù)，如在其內(nèi)容通過參考結(jié)合于此的共未決的申請(qǐng)n0.GB0919904.3中描述的那樣。
[0114]而且，應(yīng)當(dāng)注意，作為橫向波的S波將具有與波相關(guān)的剪切方向。S波的不同分量的檢測(cè)將允許壓裂的取向的確定。這是尤其有用的，因?yàn)樗矫嬷械膲毫巡⒉粌?yōu)選，因?yàn)榻o定上面的巖石的重量，注入的沙子通常不足以保持壓裂開放。因而垂直壓裂是優(yōu)選的。為了檢測(cè)S波的取向，輸入波可以分解成三個(gè)維度中的分量。通過在三個(gè)維度中布置一個(gè)或多個(gè)感測(cè)光纖，入射波的分量可以分解。優(yōu)選地響應(yīng)于一個(gè)方向上的聲學(xué)擾動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)光纖(即，它在一個(gè)橫向方向上比在正交的橫向方向中更容易彎曲)的使用可以幫助將入射聲學(xué)波分解成其分量，如其內(nèi)容通過引用結(jié)合于此的共同未決的申請(qǐng)GB0919902.7中所描述的那樣。
[0115]圖8圖示具有沿著孔向下布置的光纖102和提供如上所述的DAS傳感器的詢問器112的井眼106。在射孔/壓裂位點(diǎn)801執(zhí)行水力壓裂過程。在位置802發(fā)生特定壓裂事件。該壓裂事件將產(chǎn)生被傳播到光纖102的各個(gè)信道的瞬變地震信號(hào)。不同信道處的到達(dá)時(shí)間可以用于確定壓裂事件的深度。然而另外，通過沿著不同井眼804向下布置的且連接到另一詢問器805的另一光纖803提供另一 DAS傳感器。該附加DAS傳感器可以部署在現(xiàn)有井中和/或DAS傳感器可以在純粹用于觀察目的的射孔中提供。來自壓裂事件的信號(hào)還將被光纖803的感測(cè)部分接收且因而將被檢測(cè)。來自兩個(gè)DAS傳感器的信號(hào)可以被發(fā)送到中央處理器806，該中央處理器806例如可以位于中央室內(nèi)，其分析數(shù)據(jù)以檢測(cè)被傳感器的各個(gè)感測(cè)部分檢測(cè)的相同瞬變信號(hào)。然后可以應(yīng)用多點(diǎn)靜態(tài)關(guān)聯(lián)技術(shù)以確定聲學(xué)擾動(dòng)的來源且因此確定壓裂事件的位置。假設(shè)存在足夠的傳感器來分解任何位置不確定性，可以記錄各個(gè)壓裂事件的位置且因而可以產(chǎn)生在水力壓裂期間產(chǎn)生的壓裂的三維壓裂圖。如圖8所示，DAS傳感器并不一定部署在眼孔下且至少一個(gè)傳感器807可以位于水平面或稍微埋在表面以下。
[0116]流入監(jiān)測(cè)
盡管已經(jīng)關(guān)于壓裂事件的檢測(cè)描述了本發(fā)明，但很明顯，當(dāng)被部署時(shí)，光纖在操作期間將保留在井中。DAS感測(cè)還可以提供涉及井的后續(xù)操作的有用感測(cè)能力。從相鄰巖層流入到井的諸如油和氣的流體的監(jiān)測(cè)典型地要求比任何先前技術(shù)更高的靈敏度，因?yàn)樗谟突驓膺M(jìn)入套管管道時(shí)查找該油或氣的特性聲音，相對(duì)安靜和微小的噪聲源。通過在一個(gè)時(shí)間段上以距離/深度分析檢測(cè)的活動(dòng)的3D數(shù)據(jù)集合可以檢測(cè)和量化井內(nèi)流入?yún)^(qū)域，如使用2D “瀑布”能量圖可以示出的那樣。
[0117]感興趣的效果是十分微妙的且典型地自我顯現(xiàn)為在噪聲結(jié)構(gòu)內(nèi)的變動(dòng)而不是如在射孔檢測(cè)中看到的在噪聲上容易辨別的特征。檢測(cè)的可靠性和精確性可以通過強(qiáng)調(diào)其中能量以特性方式變化的區(qū)域而改善。變動(dòng)統(tǒng)計(jì)而不是每個(gè)信道的直接能量在短時(shí)間段上被檢查且用于提供流入的指示。在圖5中可以看出，該技術(shù)更清晰地示出流入?yún)^(qū)域(箭頭標(biāo)記)和由管道中向上移動(dòng)的能量或材料導(dǎo)致的診斷結(jié)構(gòu)(用虛線強(qiáng)調(diào))。
[0118]上面已經(jīng)描述了監(jiān)測(cè)和參數(shù)化的多種方法，且作為信號(hào)的不同特性和被分析的信號(hào)的不同特性(頻率含量、幅度以及信噪比)對(duì)感測(cè)設(shè)備提出大范圍的要求。由于DAS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大動(dòng)態(tài)范圍和相對(duì)高的采樣速率，所有上述監(jiān)測(cè)和處理可以使用圖1中示意性示出的相同系統(tǒng)執(zhí)行。
[0119]另外且如上所述，信道的配置還可以被調(diào)節(jié)，且不同的信道設(shè)置可以用于不同的監(jiān)測(cè)操作。信道設(shè)置還響應(yīng)于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)自適應(yīng)地控制，例如，如果在某一深度處出現(xiàn)明顯的壓裂密度，可能希望在恢復(fù)到原始信道配置之前以較大分辨率監(jiān)測(cè)該特定深度達(dá)一個(gè)時(shí)間段。
[0120]以這種方式，完整的監(jiān)測(cè)程序可以由單個(gè)系統(tǒng)在從射孔到流體流入的一系列井操作上運(yùn)行。該系統(tǒng)可以布置為響應(yīng)于檢測(cè)的事件從一種類型的檢測(cè)過渡到另一種類型的監(jiān)測(cè)，且對(duì)于給定監(jiān)測(cè)/檢測(cè)活動(dòng)可以自適應(yīng)地改變感測(cè)和數(shù)據(jù)處理參數(shù)二者。
[0121]另外，DAS系統(tǒng)可以用作與井下傳感器通信的手段。US 2009/0003133描述了一種使用聲學(xué)使用套管本身作為聲學(xué)介質(zhì)從井下傳感器等傳送數(shù)據(jù)的方法。作為代替，聲學(xué)光纖可以用于接收意味著較低功率信號(hào)可以被如此可靠地傳送且完成的經(jīng)過編碼的聲學(xué)信號(hào)。共同未決的申請(qǐng)GB2010/000602描述了適于在這種環(huán)境中使用的聲學(xué)換能器。
[0122]應(yīng)當(dāng)理解，上面純粹通過舉例的方式描述本發(fā)明，且可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出細(xì)節(jié)的修改。
[0123]說明書以及(當(dāng)合適時(shí))權(quán)利要求和附圖中公開的每個(gè)特征可以獨(dú)立地提供或者以任何合適的組合提供。
【權(quán)利要求】
1.一種水力壓裂的井下監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟: 詢問沿著井眼的路徑向下布置的光纖以提供分布式聲學(xué)傳感器； 從光纖的多個(gè)縱向部分采樣數(shù)據(jù)； 處理所述數(shù)據(jù)以提供至少一個(gè)壓裂特性的指示；以及 使用所述采樣數(shù)據(jù)以執(zhí)行瞬變檢測(cè)，并且以確定到瞬變的來源的方向、范圍或其位置的其中至少之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法提供所述至少一個(gè)壓裂特性的實(shí)時(shí)指示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述光纖被布置在執(zhí)行水力壓裂的井眼中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的指示包括代表由壓裂位點(diǎn)附近的光纖的至少一個(gè)縱向部分檢測(cè)的聲學(xué)信號(hào)的可聽到的信號(hào)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的指示包括聲學(xué)信號(hào)中瞬變的數(shù)目和/或速率的指示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述指示包括瞬變的數(shù)目和/或速率與期望的數(shù)目/速率的比較。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的指示包括聲學(xué)信號(hào)中瞬變的強(qiáng)度的指示。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的指示包括聲學(xué)信號(hào)中瞬變或一系列瞬變的持續(xù)時(shí)間的指示。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的指示包括聲學(xué)信號(hào)中瞬變的頻率的指示。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括分析檢測(cè)的瞬變的頻率擴(kuò)展。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括分析瞬變信號(hào)或一系列瞬變信號(hào)的演變。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中瞬變檢測(cè)包括維持平均絕對(duì)偏差的量度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述平均絕對(duì)偏差的量度通過使用衰減項(xiàng)N的指數(shù)平均而更新。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述衰減項(xiàng)N自適應(yīng)地變動(dòng)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中使用到達(dá)時(shí)間技術(shù)來確定到瞬變的來源的方向、范圍或其位置。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括分析來自另一位置處的至少一個(gè)其他傳感器的數(shù)據(jù)的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個(gè)附加傳感器包括至少一個(gè)其他光纖分布式聲學(xué)傳感器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中至少一個(gè)其他光纖分布式聲學(xué)傳感器位于分離的井眼中。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中至少一個(gè)其它光纖分布式聲學(xué)傳感器位于表面水平處或周圍。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)壓裂特性的所述指示包括壓裂圖。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中詢問光纖且采樣數(shù)據(jù)的步驟包括:將一系列光學(xué)脈沖發(fā)射到所述光纖中且檢測(cè)光纖的瑞利反向散射的輻射；以及處理所檢測(cè)的瑞利反向散射的輻射以提供光纖的多個(gè)離散的縱向感測(cè)部分。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述光纖是單模光纖，所述單模光纖在缺少任何外部激勵(lì)時(shí)，沿著其長(zhǎng)度沒有光學(xué)屬性的任何實(shí)質(zhì)變化。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中光纖的縱向感測(cè)部分在長(zhǎng)度上是1m或更短。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法,其中光纖以大于或等于5kHz的米樣速率采樣。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中至少250個(gè)信道被同時(shí)采樣。
26.一種用于井下監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:光纖詢問器，其適于在沿著井眼的路徑布置的光纖上提供分布式聲學(xué)感測(cè)；采樣器，其布置為采樣來自所述詢問器的多個(gè)信道輸出以在多個(gè)時(shí)間中的每一個(gè)從所述光纖的多個(gè)部分提供聲學(xué)數(shù)據(jù)；以及數(shù)據(jù)分析器，其適于處理所述采樣數(shù)據(jù)以檢測(cè)壓裂特性、提供所述壓裂特性的指示，以執(zhí)行瞬變檢測(cè)，并且以確定到瞬變的來源的方向、范圍或其位置的其中至少之一。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中光纖沿著井套管的外部部署。
28.一種水力壓裂過程期間的壓裂測(cè)繪的方法，包括以下步驟:在水力壓裂期間從多個(gè)井眼中的多個(gè)光纖分布式聲學(xué)傳感器接收數(shù)據(jù)，且處理所述數(shù)據(jù)以檢測(cè)源于到達(dá)所述分布式聲學(xué)傳感器中的每一個(gè)的壓裂事件的聲學(xué)擾動(dòng)且使用到達(dá)所述分布式聲學(xué)傳感器中的每一個(gè)處的時(shí)間來確定所述壓裂事件的來源的位置。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的分布式聲學(xué)傳感器在井下井眼中的用途，其中執(zhí)行水力壓裂以提供用于控制水力壓裂過程目的的關(guān)于壓裂過程的信息。
【文檔編號(hào)】E21B43/26GK104295290SQ201410457045
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2009年5月27日
【發(fā)明者】D.J.希爾, M.麥尤恩-金, P.丁德爾 申請(qǐng)人:光學(xué)感應(yīng)器控股有限公司