СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА ЗАЛЕЖИ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2008 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в нефтяной промышленности, а именно при контроле процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов.

Известен способ контроля производства гидроразрыва пласта (ГРП) с помощью регистрации инфранизкочастотной сейсмоакустической эмиссии, включающей регистрацию сейсмических волн в скважине [1]. При этом в процессе производства гидроразрыва для регистрации сейсмических колебаний в скважине с помощью скважинного снаряда необходимо иметь свободную скважину вблизи от скважины, где производится гидроразрыв.

Кроме того, этот способ не обеспечивает возможности выделения зоны гидроразрыва в процессе его проведения, отслеживания динамики трещинообразования в пласте и реализацию эффективного управления процессом гидроразрыва. Для осуществления контроля процесса гидроразрыва необходимо производить обработку сигналов в режиме, близком к реальному времени. Определение направления и размеров разрыва важно не только для повышения нефтеотдачи в области скважины, где производится разрыв, но и для оценки влияния гидроразрыва на дебит и состав пластовой жидкости в соседних скважинах.

Известен способ контроля процесса гидроразрыва пласта по измерениям сейсмоакустической эмиссии в соседних скважинах в процессе гидроразрыва [2].

Но этот способ не обеспечивает возможность выделения зоны гидроразрыва в реальном времени, не позволяет отследить динамику трещинообразования в пласте и реализовать эффективное управление процессом гидроразрыва.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому способу является способ поиска углеводородов (варианты) и способ определения глубины залегания продуктивных пластов [3], в котором (первый вариант) осуществляют одновременную регистрацию сейсмических колебаний поверхности Земли в диапазоне частот 0.1-20 Гц приемниками, расположенными на расстоянии от 50 м до 500 м друг от друга по всем измеряемым компонентам. Разбивают временной диапазон регистрации на дискретные участки, производят расчет спектральной характеристики, анализируют каждый дискретный участок на наличие помехи, имеющей техногенную природу, и на наличие события, связанного с приходом сигнала от продуктивного пласта, исключают из рассмотрения те дискретные участки, которые не содержат события, связанного с приходом сигнала от продуктивного пласта, проводят анализ дискретных участков с вынесением суждения о наличии или отсутствии углеводородов. При этом решают обратную волновую задачу распространения акустического излучения от цилиндрически симметричного источника и определяют глубину залегания продуктивного на углеводороды пласта. Принципиально важным этапом реализации изобретения является процесс фильтрации записанного временного ряда от поверхностных шумов и выделение информационного сигнала. С этой целью используют расстановку приемников сейсмических колебаний и кросскорреляционную обработку записанного сигнала.

Существенный недостаток этого способа заключается в том, что определяется местоположение источника информационного сигнала, а не в целом зона микросейсмической активности, что обусловлено спектральным представлением сигналов. Реально это будет область в пространстве источников микросейсмической эмиссии, причем их местоположение может меняться в области продуктивного нефтяного пласта в процессе технологических циклов при производстве гидроразрыва.

Техническим результатом настоящего изобретения является способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов путем регистрации сейсмических сигналов на дневной поверхности с помощью сейсмической антенны (группы сейсмических приемников, расставленных с базой не более 100 м между ними) до осуществления гидроразрыва, в течение времени его производства и после и дальнейшей специализированной обработки регистрационных записей с целью выделения пространственных зон микросейсмической активности, изменяющихся по интенсивности в процессе производства гидроразрыва и определяющих размеры и направление поверхностей трещинообразования для обеспечения оптимизации производства гидроразрыва пласта.

Методика обработки и анализ пространственных зон микросейсмической активности в процессе производства гидроразрыва позволяют выявить пространственные структуры, изменяющиеся по интенсивности эмиссии, их местоположение и размеры в пространстве относительно забоя скважины, оценить корреляцию микросейсмической активности с интенсивностью закачки флюида в скважину, оценить в процессе производства гидроразрыва в реальном времени величины и направление поверхностей трещинообразования, что позволяет контролировать процесс гидроразрыва в режиме реального времени и вносить коррективы в его технологические параметры.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов заключающемся в том, что, аналогично прототипу, осуществляют одновременную синхронную регистрацию сейсмических колебаний на дневной поверхности над забоем скважины, в которой производится гидроразрыв пласта, с помощью сейсмической антенны (группы одно- и трехкомпонентных сейсмоприемников, расставленных с базой не более 100 м между ними) и цифровой регистрирующей аппаратуры, согласно изобретению регистрацию сейсмических колебаний осуществляют на дневной поверхности до производства гидроразрыва, в процессе и после гидроразрыва с привязкой по времени с технологическими процессами призводства гидроразрыва. Обработку сейсмических сигналов в реальном времени производят в каждый дискретный момент времени, вычисляют координаты источников сейсмических колебаний для всех пар точек наблюдения на дневной поверхности с помощью метода решения обратной кинематической задачи с учетом величин функций взаимной корреляции всех пар точек наблюдения и скоростей распространения сейсмических волн. Выбирают из множества решений (координат источников) решения с минимальной невязкой по всем записям и времени регистрации. Оценивают качество решений по их фокусировке при уменьшении порога невязки, выделяют по этим решениям пространственные зоны микросейсмической активности, изменяющиеся по интенсивности в процессе производства гидроразрыва, где за счет изменения напряженного состояния происходит высвобождение энергии упругих деформаций, вызывающих появление зон трещиноватости и излучение сейсмических волн из области забоя скважины, анализируют выделенные зоны микросейсмической активности, выявляют в них пространственные структуры, изменяющиеся по интенсивности и размеру. Оценивают корреляцию микросейсмической активности с интенсивностью закачки флюида в скважину в процессе производства гидроразрыва, определяют размеры и направление развития поверхностей трещиноватости и обеспечивают контроль процесса гидроразрыва пласта.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что использование сейсмических методов, регистрирующей аппаратуры и специальных методов обработки позволяют определить с высокой точностью местоположение зон сейсмической эмиссии, возникающих под влиянием техногенных воздействий на залежь в процессе производства гидроразрыва, где за счет изменения напряженного состояния пласта происходит высвобождение энергии упругих деформаций, вызывающих излучение сейсмических волн, что, в свою очередь, позволяет определить пространственные структуры или зоны микросейсмической активности, характеризующие изменение физико-механических характеристик пласта в области производства гидроразрыва, оценить направление и размеры поверхностей трещинообразования и, следовательно, контролировать процесс производства гидроразрыва в реальном времени.

Суть способа.

Сейсмоакустическая эмиссия возникает в геологической среде за счет изменения ее напряженного состояния, которое связано как с естественными факторами, в основном обусловленными геодинамикой среды (тектонические давления, лунно-солнечные приливы и т.п.), так и с влиянием различных техногенных воздействий, осуществляемых как с поверхности, так и из внутренних точек среды. Эмиссия, возникающая в результате техногенного воздействия как ответная реакция среды, называется наведенной сейсмоакустической активностью [1]. Мощным техногенным воздействием на залежь в процессе разработки является гидроразрыв пласта. Под действием закачки флюида в скважину в процессе производства гидроразрыва изменяется напряженное состояние пласта и вмещающих горных пород в области забоя скважины, в результате происходит высвобождение энергии упругих деформаций, сопровождающееся трещинообразованием и излучением сейсмических волн, то есть наблюдается микросейсмическая эмиссия в области забоя скважины, в которой производится гидроразрыв.

Синхронная регистрация сейсмоакустической эмиссии до производства гидроразрыва, в процессе и после него на дневной поверхности над забоем скважины, в которой осуществляется гидроразрыв, с помощью сейсмической антенны (группы одно и трехкомпонентных сейсмоприемников) и регистрирующей аппаратуры позволяет, применяя специальные методы обработки регистрационных записей, выделять пространственные зоны микросейсмической активности, анализировать выделенные зоны и их изменение по интенсивности в процессе производства гидроразрыва, оценивать корреляцию микросейсмической активности с интенсивностью закачки флюида в залежь и другими технологическими параметрами гидроразрыва. Таким образом, контроль за интенсивностью и пространственным положением зон микросейсмической активности в процессе производства гидроразрыва позволяет обеспечить контроль производства гидроразрыва в реальном времени с целью оптимизации его производства.

Способ осуществляют следующим образом.

Устанавливают на дневной поверхности в районе забоя скважины, в которой будет производиться гидроразрыв, сейсмическую антенну (группу одно- и трехкомпонентных сейсмоприемников, расставленных с базой не более 100 м между ними) с регистраторами типа Reftek. Часть сейсмоприемников устанавливают в мелкие скважины на глубину до 10 м. Местоположение каждого датчика сейсмической антенны точно привязывается с помощью дифференциального GPS (Trimbler). Регистрация осуществляется синхронно всеми датчиками и с привязкой по времени с технологическими процессами производства гидроразрыва. Регистрация с помощью указанной сейсмической антенны осуществляется в течение нескольких часов до производства гидроразрыва, в процессе проведения и в течение нескольких часов после гидроразрыва. Записи до производства гидроразрыва используются для оценки наблюдаемого фона микросейсмической эмиссии на дневной поверхности в районе забоя скважины, обусловленного изменением физико-механических характеристик нефтяного пласта в процессе разработки залежи (откачки или закачки флюида). Записи в процессе гидроразрыва с привязкой по времени с технологическими процессами характеризуют изменение микросейсмической эмиссии в процессе микроразрыва, закачки флюида, закачки проппанта. Записи после производства гидроразрыва характеризуют процессы, происходящие в среде после производства гидроразрыва пласта.

Современная аппаратура регистрации позволяет проводить непрерывную регистрацию микросейсмической активности большим количеством каналов в течение продолжительного (необходимого) времени.

Регистрационные записи сейсмической антенны обрабатываются с помощью методов решения обратной кинематической задачи, которые позволяют определять во времени координаты источников сейсмической эмиссии, и располагать эти источники в пространственном кубе, с привязкой к забою и стволу скважины, в которой производится гидроразрыв.

В основе метода лежит решение обратной задачи распространения сейсмической волны с целью локации источника сейсмических колебаний и с накоплением информации в пространстве решений обратной задачи (координаты события, скорость в среде, напряжения, энергия).

Задача локации источников сейсмических колебаний в области забоя скважины решается следующим образом.

По регистрационным записям сейсмических сигналов в процессе гидроразрыва в реальном времени определяется время задержки сейсмического сигнала между всеми парами точек наблюдения сейсмической антенны, установленной на дневной поверхности в районе забоя скважины. Время между парами точек наблюдения определяется как разница времен пробега от источника колебаний с координатами x_s, y_s, z_s к двум точкам наблюдения с координатами x_i, y_i, z_i и x_j, y_j, z_j со скоростью распространения сейсмической (продольной или поперечной) волны V_ps:

где ρ(k,l) - расстояние между точками k и l сейсмической антенны.

При этом для всех пар точек наблюдения вычисляют взаимно корреляционные функции С_ij. На основе полученных времен задержки решается задача определения координат источников и скоростей сейсмических волн. Из множества решений по всем обработанным записям и времени регистрации выбираются решения (координаты источников) с минимальной невязкой, которая определяется функционалом:

Минимизация функционала F(x_s, y_s, z_s, V_ps) осуществляется методом сопряженных градиентов с учетом значения функции взаимной корреляции. Оценка Δt_ij вычисляется в каждый дискретный момент времени. Задача минимизации (1) не решается, если значения максимумов функции взаимной корреляции меньше некоторой наперед заданной величины, например 0.7. В случае, когда поле полученных решений (поле координат источников) фокусируется при уменьшении невязки, решение считается удовлетворительным.

Полученные в процессе производства гидроразрыва зоны микросейсмической активности характеризуют области разрыва и каналы распространения закачиваемой в процессе разрыва жидкости и проппанта.

Таким образом, предложенный способ, посредством определения зон микросейсмической активности (местоположения источников сейсмической эмиссии), позволяет контролировать процессы, происходящие в нефтяном пласте в процессе производства гидроразрыва.

Пример. Способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов был использован для определения зон микросейсмической активности (местоположения источников сейсмической эмиссии) при производстве гидроразрыва пласта на одном из месторождений Западной Сибири («Приразломное» - ЦДНГ-10). В июне 2005 года производилась регистрация микросейсмических шумов в процессе производства ГРП на скважине 6642 месторождения «Приразломное». Глубина перфорации участка ствола скважины 2500 метров. Работы по ГРП производились фирмой МеКаМи-нефть, которая по согласованию с заказчиком предоставила технологические параметры производства гидроразрыва - индикаторные диаграммы ГРП, на основе которых произведена идентификация во времени технологических процессов и уровня микросейсмической активности в призабойной области.

Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа.

Фиг.1 Множество координат источников микросейсмической эмиссии в горизонтальной плоскости без учета невязки при минимизации функционала (длина обработанной записи 20 мин, количество точек наблюдения сейсмической антенны - 36).

Фиг.2 Множество координат источников микросейсмической эмиссии в горизонтальной плоскости с невязкой при минимизации функционала меньше чем 10^-5.

Фиг.3 Множество координат источников микросейсмической эмиссии в горизонтальной плоскости с невязкой при минимизации функционала в пределах 10^-4-10^-5.

На фиг.1 представлено распределение источников сейсмической эмиссии при производстве ГРП на скважине 6642, а именно построено множество решений в проекции на горизонтальную плоскость (множество координат источников), полученное при обработке регистрационных записей длиной 20 мин с количеством используемых точек наблюдения - 36 без учета невязки при минимизации функционала. Запись соответствует закачке воды и производству гидроразрыва. Аналогичные данные получены для закачки проппанта. В результате обработки без учета невязки получено более 300000 точек - координат источников сейсмической эмиссии. На фиг.2 представлено множество решений с невязкой меньше чем 10^-5, количество точек при этом уменьшилось до 30000. Множество решений полученных, когда невязка изменялась в пределах 10^-5-10^-4, приведено на фиг.3. Как видно, при уменьшении порога невязки множество решений фокусируется в определенную область, расположенную в направлении на юг от забоя скважины, которая характеризует направление и размеры области развития трещиноватости при гидроразрыве пласта.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет выделить пространственные зоны микросейсмической активности, изменяющейся по интенсивности и размеру в процессе производства гидроразрыва, выделить зоны трещиноватости, размер и направление области разрыва, дает возможность контроля технологических процессов при производстве гидроразрыва пласта.

Литература

1. О.Л.Кузнецов, И.А.Чиркин и др. Экспериментальные исследования. - М.: Государственный научный центр Российской Федерации - ВНИИгеосистем, 2004 (Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред: В 3 т. Т.2, С. 104).

2. Патент РФ, №2251716, Кл. 7 G01V 1/00, опубл. 2005.05.10. Способ поиска углеводородов (варианты) и способ определения глубины залегания продуктивных пластов.

3. Патент РФ №2054697, Кл. 6 G01V 1/00, опубл. 1996.02.20. Способ сейсморазведки при поисках нефтегазовых месторождений.

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в нефтяной промышленности, а именно при контроле процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов. Сущность: осуществляют одновременную синхронную регистрацию сейсмических колебаний на дневной поверхности над забоем скважины, в которой производится гидроразрыв пласта. Для регистрации используют сейсмическую антенну и цифровую регистрирующую аппаратуру. Причем регистрацию осуществляют на дневной поверхности до производства гидроразрыва, в процессе и после гидроразрыва с привязкой по времени с технологическими процессами производства гидроразрыва. Обработку сейсмических сигналов в реальном времени производят в каждый дискретный момент времени. По результатам обработки сейсмических сигналов определяют размеры и направление развития поверхностей трещиноватости, обеспечивая контроль процесса гидроразрыва пласта. Технический результат: оптимизация производства гидроразрыва пласта. 3 ил.

Способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов, заключающийся в том, что осуществляют одновременную синхронную регистрацию сейсмических колебаний на дневной поверхности над забоем скважины, в которой производится гидроразрыв пласта, с помощью сейсмической антенны (группы одно и трехкомпонентных сейсмоприемников, расставленных с базой не более 100 м между ними) и цифровой регистрирующей аппаратуры, отличающийся тем, что регистрацию сейсмических колебаний осуществляют на дневной поверхности до производства гидроразрыва, в процессе и после гидроразрыва с привязкой по времени с технологическими процессами призводства гидроразрыва, обработку сейсмических сигналов в реальном времени производят в каждый дискретный момент времени, вычисляют координаты источников сейсмических колебаний для всех пар точек наблюдения на дневной поверхности с помощью метода решения обратной кинематической задачи с учетом величин функций взаимной корреляции всех пар точек наблюдения и скоростей распространения сейсмических волн, выбирают из множества решений решения с минимальной невязкой по всем записям и времени регистрации, оценивают качество решений по их фокусировке при уменьшении порога невязки, выделяют по этим решениям пространственные зоны микросейсмической активности, изменяющиеся по интенсивности в процессе производства гидроразрыва, где за счет изменения напряженного состояния происходит высвобождение энергии упругих деформаций, вызывающих появление зон трещиноватости и излучение сейсмических волн из области забоя скважины, анализируют выделенные зоны микросейсмической активности, выявляют в них пространственные структуры, изменяющиеся по интенсивности и размеру, оценивают корреляцию микросейсмической активности с интенсивностью закачки флюида в скважину в процессе производства гидроразрыва, определяют размеры и направление развития поверхностей трещиноватости и обеспечивают контроль процесса гидроразрыва пласта.