СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЕОМЕТРИИ ТРЕЩИН, КОМПОЗИЦИИ И ИЗДЕЛИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ЭТОЙ ЦЕЛИ Российский патент 2010 года по МПК E21B49/00 G01V3/08 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к способу оценки геометрии трещин и к изделиям, используемым для облегчения этой оценки. В частности, изобретение относится к методам оценки длины и высоты трещины.

При завершении пробуриваемых в грунте скважин в скважину обычно вводят обсадную колонну, после чего в пространство между обсадной колонной и стенкой скважины заливают цементную взвесь. Цементную взвесь оставляют затвердевать с образованием цементного кольца, которое связывает обсадную колонну со стенкой скважины. Через колонну и прилегающее к подземному пласту цементное кольцо проделывают перфорации. Через эти перфорации в скважину добываются флюиды, такие как нефть или газ.

Нередко в целях повышения дебита скважины оказывается желательным подвергнуть подземные пласты соответствующей обработке. Например, в нефтяной промышленности в целях облегчения протекания нефти и/или газа в скважину или закачки текучих сред, таких как газ или вода, из скважины в пласт подземные пласты подвергают гидравлическому разрыву. Такой гидравлический разрыв осуществляется помещением подходящей гидроразрывающей текучей среды внутри скважины напротив подвергаемого обработке пласта, после чего к гидроразрывающей текучей среде прикладывают давление, достаточное для того, чтобы вызвать разрушение пласта с сопутствующим образованием в нем одной или более трещин. Одновременно или вслед за образованием трещины в нее вводится подходящая несущая текучая среда с суспендированным в ней расклинивающим агентом, таким как песок или какой-либо другой зернистый материал. Расклинивающий агент оседает в трещине и позволяет поддерживать трещину открытой после падения давления текучей среды. Текучая среда, содержащая расклинивающий агент, обладает относительно высокой вязкостью, позволяющей увеличить ширину трещины и понизить тенденцию расклинивающего агента к оседанию в текучей среде во время ее закачки вниз в скважину и из скважины в пласт. Высоковязкие текучие среды увеличивают ширину трещины и позволяют перемещать в трещину большее количество расклинивающего агента. Это помогает также контролировать затекание гидроразрывной текучей среды в стенки образующейся трещины.

Некоторые аспекты масштабов такого разрыва пласта и местонахождение расклинивающих материалов устанавливаются с использованием радиоактивных меток. Радиоактивные метки вносятся в или наносятся на расклинивающие агенты или добавляются в виде жидкости и закачиваются вместе с гидроразрывной текучей средой. Наносимые покрытия обычно содержат радиоактивные изотопы. Хотя применение таких радиоактивных меток или покрытий дает полезную информацию, их применимость ограничена участками трещины, близкими к стволу скважины, и дает мало или вообще не дает полезной информации касательно размеров трещины по мере ее заглубления в пласт. Применение радиоактивных меток создает также мониторинговые, логистические и экологические проблемы. Короткий период полураспада таких меток препятствует мониторингу передвижения таких меток в трещинах пласта в течение времени, превышающего этот короткий период. Транспортирование и применение радиоизотопов является дорогостоящим, и при этом необходимо соблюдение государственного регулирования и ограничений. Ликвидация избытка расклинивающих агентов может создавать проблемы, в особенности при работах во внебереговой зоне.

Таким образом, было бы желательно разработать способ гидравлического разрыва, в котором масштаб такого разрыва измерялся без применения радиоактивных изотопных меток. Желательно также определять геометрию трещины в пласте и в особенности пенетрацию или длину трещины в направлении от ствола скважины.

Раскрытие изобретения

В настоящей заявке раскрыт способ определения геометрии трещины для случая подземной трещины, включающий введение в трещину частиц-мишеней и/или расклинивающего агента, передачу в трещину электромагнитного излучения с частотой от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц и анализ отраженного сигнала для определения геометрии трещины.

В настоящей заявке раскрыт также способ определения геометрии подземной трещины, включающий в себя введение в трещину частицы-мишени и/или расклинивающего агента, при этом частица-мишень и/или расклинивающий агент содержат керамику с высокой диэлектрической постоянной, которая выше или равна приблизительно 2; передачу в трещину электромагнитного излучения с частотой, меньшей или равной приблизительно 3 ГГц; и анализ отраженного сигнала от частицы-мишени или поверхности трещины с целью определения геометрии трещины.

В настоящей заявке раскрыт также расклинивающий агент, содержащий металлический или неорганический оксидный носитель и покрытие, расположенное на металлическом или неорганическом оксидном носителе, причем расклинивающий агент имеет диэлектрическую постоянную, большую или равную приблизительно 2.

В настоящей заявке раскрыт также способ изготовления расклинивающего агента, включающий в себя нанесение покрытия на металлический или неорганический оксидный носитель, при этом добавление покрытия к носителю повышает диэлектрическую постоянную расклинивающего агента до более чем 2 или до приблизительно равной 2.

Осуществление изобретения

В настоящей заявке раскрыт способ определения геометрии трещины и размеров подземной трещины, выполненной в целях извлечения из земли ресурсов. Эти ресурсы включают нефть и природный газ, воду, минералы или им подобные материалы. Геометрия трещины включает длину трещины и/или высоту трещины. В способе успешно используются частоты от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц или любой поддиапазон этих частот в электромагнитном спектре с целью получения информации относительно геометрии трещины и размеров трещины. В одном из вариантов осуществления изобретения частоты менее или равные приблизительно 3 кГц могут эффективно передаваться через расклинивающий агент, расположенный в подземной трещине, и могут с успехом использоваться для определения геометрии трещины. Полученная относительно геометрии трещины информация предоставит новый и усовершенствованный способ заканчивания скважины или оптимизации трещин.

В способе успешно используются расклинивающие агенты и частицы, которые обладают диэлектрической «добротностью» (далее диэлектрические постоянные), выше или равной приблизительно 2. В одном из вариантов осуществления изобретения частицы и расклинивающие агенты имеют диэлектрические постоянные, выше или равные приблизительно 6. В другом типичном варианте осуществления частицы и расклинивающие агенты имеют диэлектрические постоянные, большие или равные приблизительно 10. В еще одном типичном варианте осуществления частицы и расклинивающие агенты имеют диэлектрические постоянные, большие или равные приблизительно 20. В еще одном типичном варианте осуществления частицы и расклинивающие агенты имеют диэлектрические постоянные, большие или равные приблизительно 40.

Способ основан на существовании отличающихся режимов распространения волны при прохождении электромагнитных волн через располагающийся в трещине расклинивающий агент по сравнению с режимами распространения волны из окружающих геологических структур. Обычно распространение электромагнитных волн в среде породы, в особенности в среде, содержащей воду, сильно ослабевает. Меняя свойства расклинивающих материалов, которые обычно вводят в трещину для структурной стабилизации трещины, можно влиять на распространение в ней электромагнитных волн. Этим путем трещина может быть превращена в СВЧ-проводящую среду, аналогичную волноводу, но имеющую неправильную форму.

В одном из вариантов осуществления способ включает в себя введение в трещину электропроводящих частиц (добавок и/или наполнителей, не поддерживающих устойчивость трещины) или расклинивающих агентов (частиц, которые передают давление и поддерживают стенки подземной трещины) и передачу электромагнитного излучения в трещину от передатчика, имеющего частоты от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц или любым поддиапазоном этих частот. Как было отмечено выше, предпочтительны частоты меньшие или равные приблизительно 3 ГГц. Электропроводящие частицы и расклинивающие агенты рассредоточиваются вдоль стенок трещины и выполняют роль волновода. Частицы и/или расклинивающие агенты, которые достигают конца трещины, т.е. той части трещины, которая наиболее удалена от ствола скважины, называют частицами-мишенями. Частицы и/или расклинивающие агенты, находящиеся в контакте со стенками трещины ближе от конца, называют вторичными частицами и/или расклинивающими агентами. Электромагнитное излучение отражается от электропроводящих частиц и/или частиц-мишеней, и/или расклинивающего агента, и/или от поверхности трещины и поступает в приемник. Сигнал, принятый от проводящих частиц и/или расклинивающих агентов, обрабатывается в компьютере с учетом базы данных и получают информацию о геометрии трещины.

В другом варианте осуществления, как было отмечено выше, частицы и/или расклинивающие агенты содержат керамику и имеют диэлектрические постоянные выше или равные примерно 6, более конкретно выше или равные примерно 10, еще более конкретно выше или равные примерно 20 и, еще более конкретно, выше или равные примерно 40. Эти высокодиэлектрические частицы и/или расклинивающие агенты содержат металлический носитель, на котором находится керамическое покрытие, имеющее диэлектрическую постоянную выше или равную примерно 6. В одном из вариантов осуществления, когда частицы и/или расклинивающие агенты, имеющие диэлектрическую постоянную выше или равную примерно 6, применяют в подземной трещине, желательно использование электромагнитного излучения с частотой ниже или равной приблизительно 1 ГГц.

В еще одном варианте осуществления частицы и/или расклинивающие агенты могут производиться и/или модифицироваться в трещине в результате реакции какого-либо предшественника с находящимися в трещине частицами и/или расклинивающими агентами. Предшественник реагирует с образованием электропроводящих, полупроводящих или непроводящих частиц, которые, в одном из вариантов осуществления, осаждаются на стенках трещины. После этого частицы отражают или поглощают падающее на них электромагнитное излучение. Отраженное излучение затем анализируется, и оно дает при анализе информацию относительно геометрии трещины.

В еще одном варианте осуществления частицы и/или расклинивающие агенты могут поглощать падающее на них электромагнитное излучение. Разница в интенсивности сигнала, получаемого от отражающих частиц, и сигнала, получаемого от участков трещины, которые содержат поглощающие частицы и/или расклинивающие агенты, может быть использована для определения геометрии трещины.

Ствол скважины проникает в представляющий интерес подземный пласт, который должен быть подвергнут гидравлическому разрыву для облегчения притока ресурсов (т.е. нефти и/или природного газа) из пласта в ствол скважины. Во время образования трещины в нее вводится текучая среда для гидроразрыва, содержащая расклинивающие агенты или частицы. Расклинивающие агенты применяются для поддержания трещины в раскрытом состоянии с целью обеспечения усиленного протекания (проводимости) природных ресурсов из пласта в скважину. Частицы не играют значительной роли в поддержания трещины в раскрытом состоянии, но могут отражать любое подающее электромагнитное излучение, имеющее частоту от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц.

Более конкретно, в ствол скважины опускается скважинный зонд до уровня, граничащего с нижней частью пласта. Скважинный зонд включает в себя передатчик и приемник электромагнитного излучения. Скважинный зонд снабжен антенной, размер которой позволяет передавать и принимать электромагнитное излучение, имеющее частоту от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц или любую его часть. Желательно иметь скважинный зонд с антеннами, размер которых позволяет передавать и принимать электромагнитное излучение с частотой менее или равной 3 ГГц. В одном из вариантов осуществления желательно иметь скважинный зонд с антеннами, размер которых позволяет передавать и принимать электромагнитное излучение с частотой менее или равной 1 ГГц.

Скважинный зонд содержит также передатчики и приемники, которые могут использоваться для передачи и приема других электромагнитных частот, за пределами диапазона от 300 МГц до 100 ГГц. Скважинный зонд может также содержать оборудование такого типа, как ультразвуковая аппаратура, рентгеновская аппаратура и инфракрасная аппаратура для передачи и приема данных от других источников, что облегчает определение геометрии трещины. Скважинный зонд может также содержать гироскоп, который бы позволял определять направление сигнала. Определение направления сигнала электромагнитного излучения позволяет определять направление трещины.

Скважинный зонд поднимают таким образом, чтобы он пересекал пласт от дна к верхушке. Скважинный зонд также вращают в стволе скважины с целью определения положения трещины. В процессе этого перемещения и/или вращения скважинный зонд передает в пласт 11 электромагнитное излучение, имеющее частоту от 300 МГц до 100 ГТц или любой поддиапазон этих частот. Электромагнитное излучение целесообразно направлять от скважинного зонда в трещину в виде импульсов. Приемник собирает сигналы электромагнитного излучения от расклинивающих агентов, частиц, стенок трещины или других поверхностей трещины и передает эти сигналы вверх по стволу скважины в компьютер, который может анализировать эти сигналы и с помощью программного обеспечения создавать изображение трещины. Изображение трещины обеспечивает данные относительно длины и высоты трещины (и азимут, или направление).

Таблица 1 дает информацию о разных полосах в соответствии с классификацией IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), которые могут быть использованы при определении геометрии трещины.

Таблица 1 Обозначение Диапазон частот в ГГц HF 0,003-0,030 VHF 0,030-0,300 UHF 0,300-1,000 L-полоса 1,000-2,000 S-полоса 2,000-4,000 С-полоса 4,000-8,000 Х-полоса 8,000-12,000 К_u-полоса 12,000-18,000 К-полоса 18,000-27,000 К_а-полоса 27,000-40,000 Миллиметровый диапазон 40,000-300,000 Субмиллиметровый диапазон >300,000

В одном из вариантов осуществления типичные частоты, которые могут быть использованы для изображения трещины, располагаются от примерно L-полосы до примерно К_а-полосы. В другом варианте осуществления типичные частоты, которые могут быть использованы для изображения трещины, располагаются от примерно UHF-полосы до примерно S-полосы.

Для определения геометрии трещины могут быть использованы различные добавки и/или наполнители. Добавки и/или наполнители (далее добавки и/или наполнители будут именоваться «частицами») могут быть электропроводящими, полупроводящими и непроводящими. Электропроводящие частицы могут использоваться для отражения сигналов электромагнитного излучения. Полупроводящие и непроводящие частицы могут использоваться для поглощения сигналов электромагнитного излучения или для распространения их при радарных операциях и/или операциях по формированию изображения. Частицы и/или расклинивающие агенты могут быть по желанию электропроводящими, полупроводящими и непроводящими. В одном из типичных вариантов осуществления частицы и/или расклинивающие агенты являются электропроводящими и способны отражать падающее на них электромагнитное излучение. Электропроводящие частицы облегчают передачу падающего и отраженного электромагнитного излучения. В другом типичном варианте осуществления частицы обладают высокой диэлектрической постоянной и могут способствовать волноводному прохождению сигнала излучения.

В одном из вариантов осуществления полупроводящие и непроводящие частицы являются прозрачными для сигналов электромагнитного излучения, т.е. они пропускают сигналы электромагнитного излучения без какого-либо значительного ослабления. В другом варианте осуществления полупроводящие и/или непроводящие частицы являются непрозрачными для сигналов электромагнитного излучения, т.е. они полностью поглощают сигналы электромагнитного излучения.

В одном из вариантов осуществления для облегчения процесса формирования изображения трещины в нее может вводиться комбинация полупроводящих, проводящих и непроводящих частиц и/или расклинивающих агентов. Для улучшения «изобразительных» возможностей процесса могут использоваться комбинации разных типов частиц и/или расклинивающих агентов. Например, для облегчения создания изображения некоторых участков трещины может оказаться целесообразным экранировать определенные участки трещины. Разные типы частиц и/или расклинивающих агентов могут вводиться в трещину либо последовательно, либо одновременно. Когда используются комбинации разных типов частиц и/или расклинивающих агентов, частицы и/или расклинивающие агенты могут вначале смешиваться между собой и затем вводиться в трещину. В другом варианте осуществления определенная доля проводящих частиц и/или расклинивающих агентов может вводиться в трещину перед вводом определенной доли непроводящих или полупроводящих частиц и/или расклинивающих агентов. В еще одном варианте осуществления определенная доля непроводящих частиц и/или расклинивающих агентов может вводиться в трещину перед вводом определенной доли проводящих и/или полупроводящих частиц и/или расклинивающих агентов.

Примерами электропроводящих частиц являются металлические частицы, непроводящие частицы с металлическими покрытиями, углеродистые частицы, электропроводящие оксиды металлов, электропроводящие полимерные частицы и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип указанных выше частиц. Примерами подходящих металлов, которые могут быть использованы в металлических частицах, являются переходные металлы, щелочноземельные металлы, щелочные металлы, редкоземельные металлы, металлы главных групп и т.п. и комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип указанных выше металлов. Могут также использоваться сплавы. Примерами подходящих металлов являются медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, кобальт, серебро и т.п. и комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип указанных выше металлов.

Примерами непроводящих частиц, которые могут быть покрыты металлами (с целью сделать их электропроводящими), являются полимеры, такие как термопластичные полимеры, термореактивные полимеры, иономеры, дендримеры и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип из указанных полимеров. Примерами подходящих полимеров являются полиолефины, полиамиды, полиэстеры, полиимиды, полиакрилаты, полиметакрилаты, фторполимеры, жидкокристаллические полимеры и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип из указанных полимеров. Полимеры в основном являются электроизоляторами, но могут быть выполнены электропроводящими путем покрытия их слоем электропроводящих металлов. В одном из типичных вариантов осуществления проводящие частицы и непроводящие частицы с металлическим покрытием могут быть магнитными или способными намагничиваться. Магнитные и намагничиваемые частицы имеют преимущество в том, что они могут образовывать каркасы или их можно заставить образовывать каркасы, применяя для этого магнитное или электрическое поле после ввода частиц в трещину. Каркасы из проводящих частиц могут успешно отражать падающие на частицы сигналы электромагнитного излучения, поставляя, таким образом, информацию о геометрии трещины.

Когда непроводящие частицы покрывают металлами, нанося металлическое покрытие на полимерную подложку, обычно желательно, чтобы покрытые частицы имели насыпную плотность от примерно 0,5 до примерно 4,0 г/см³. В одном из вариантов осуществления покрытая металлом непроводящая частица имеет насыпную плотность менее или равную примерно 2,0 г/см³. В другом варианте осуществления покрытая металлом непроводящая частица имеет насыпную плотность менее или равную примерно 1,0 г/см. Желательно, чтобы полимерная подложка выдерживала температуры в стволе скважины. В одном из вариантов осуществления желательно, чтобы полимерная подложка выдерживала температуры до примерно 300°С.

Примерами углеродистых частиц являются технический углерод, кокс, графитовые частицы, фуллерены, углеродные нанотрубки, такие как одностенные углеродные нанотрубки, двустенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки и т.п. или комбинация, включающая, по меньшей мере, один тип указанных выше углеродных частиц.

С целью отражения электромагнитного излучения могут также применяться различные типы проводящих углеродных волокон. Углеродные волокна обычно классифицируют по их диаметру, морфологии и степени графитизации (морфология и степень графитизации взаимосвязаны). Эти характеристики в настоящее время определяются с помощью способа, используемого для синтеза углеродного волокна. Например, углеродные волокна с диаметрами до минимум примерно 5 мкм и графеновые ленточные структуры, параллельные оси волокон (в радиальном, плоскостном или кольцевом расположении) производятся в промышленном масштабе с помощью пиролиза органических предшественников в волокнистой форме, в том числе фенольные соединения, полиакрилонитрил (PAN) или пек.

Углеродные волокна обычно имеют диаметр от примерно 1000 нм (1 мкм) до примерно 30 мкм. В одном из вариантов осуществления углеродные волокна имеют обычно диаметр от примерно 2 до примерно 25 мкм. В другом варианте осуществления углеродные волокна имеют обычно диаметр от примерно 5 до примерно 20 мкм. В еще одном варианте осуществления углеродные волокна имеют обычно диаметр от примерно 7 до примерно 15 мкм.

В одном из вариантов осуществления углеродные волокна имеют аспектное отношение больше или равное приблизительно 3. В другом варианте углеродные волокна имеют аспектное отношение больше или равное приблизительно 100. В еще одном варианте углеродные волокна имеют аспектное отношение больше или равное приблизительно 1000. В еще одном варианте углеродные волокна имеют аспектное отношение больше или равное приблизительно 10000.

В одном из вариантов расклинивающие агенты или частицы могут содержать керамические подложки или полимерные подложки, которые покрыты электропроводящим покрытием, содержащим полимеры, углеродные нанотрубки и/или технический углерод. Электропроводящее покрытие обычно имеет объемное сопротивление меньше или равное примерно 10⁵ ом.см. В другом варианте электропроводящее покрытие имеет обычно объемное сопротивление меньше или равное примерно 10 ом.см.

Примерами подходящих электропроводящих металлооксидных частиц и/или расклинивающих агентов являются те, которые содержат оксид индия-олова, оксид олова и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одну из названных выше металлооксидных частиц. Примерами подходящих изначально проводящих полимеров являются полиацетилен и его производные, полипиррол и его производные, полианилин и его производные, политиофен и его производные и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из изначально проводящих полимеров. В число электропроводящих полимеров входят также полимеры, которые смешаны с электропроводящими металлическими частицами, углеродистыми частицами, электропроводящими оксидами металлов и т.п.

Желательно, чтобы электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты имели электросопротивление меньшее или равное примерно 10¹² ом·см. В одном из вариантов электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты имеют

электросопротивление меньшее или равное примерно 10⁸ ом· см. В другом варианте электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты имеют электросопротивление меньшее или равное примерно 10⁵ ом.см. В еще одном варианте электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты имеют электросопротивление меньшее или равное примерно 10³ ом·см.

Полупроводящие частицы могут содержать кремний, арсенид галлия, селенид кадмия, сульфид кадмия, сульфид цинка, сульфид свинца, арсенид индия, антимонид индия и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше типов полупроводящих частиц.

Непроводящие частицы и/или расклинивающие агенты включают изоляционные полимеры, такие как перечисленные выше. Все называемые здесь непроводящие частицы и/или расклинивающие агенты и полупроводящие частицы и/или расклинивающие агенты являются, по крайней мере, электрически непроводящими или полупроводящими. Непроводящие частицы называют также диэлектрическими частицами. Непроводящие частицы включают также неорганические оксиды, неорганические карбиды, неорганические нитриды, неорганические гидроксиды, неорганические оксиды с гидроксидными покрытиями, неорганические карбонитриды, неорганические оксинитриды, неорганические бориды, неорганические борокарбиды и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше неорганических материалов. Примерами подходящих неорганических материалов являются оксиды металлов, карбиды металлов, нитриды металлов, гидроксиды металлов, оксиды металлов с гидроксидными покрытиями, карбонитриды металлов, оксинитриды металлов, бориды металлов, борокарбиды металлов и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше неорганических материалов. Катионы металлов, используемые в указанных выше неорганических материалах, могут быть переходными металлами, щелочными металлами, щелочноземельными металлами, редкоземельными металлами и т.п. или комбинацией, содержащей, по меньшей мере, один из указанных выше металлов.

Примеры подходящих неорганических оксидов включают диоксид кремния (SiО₂), оксид алюминия (Аl₂О₃), диоксид титана (ТiO₂), диоксид циркония (ZrO₂), диоксид церия (СеО₂), диоксид марганца (MnO₂), оксид цинка (ZnO), оксиды железа (например, FeO, -Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Fе₃O₄ и т.п.), оксид кальция (СаО), диоксид марганца (МnО₂ и Мn₃O₄), или комбинации, содержащие, по меньшей мере, один из указанных выше неорганических оксидов. Примеры неорганических карбидов включают карбид кремния (SiC), карбид титана (TiC), карбид тантала (ТаС), карбид вольфрама (WC), карбид гафния (HfC) и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше карбидов. Примеры подходящих нитридов включают нитриды кремния (Si₃N₄), нитрид титана (TiN) и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше нитридов. Примеры подходящих боридов включают борид лантана (LаВ₆), бориды хрома (CrB and СrВ₂), бориды молибдена (MoB₂, Mo₂B₅ and MoB), борид вольфрама (W₂B₅) и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше боридов. Типичными неорганическими подложками являются те, которые содержат природные или полученные синтетическим путем диоксид кремния и/или оксид алюминия.

Другими примерами неорганических материалов, которые могут быть использованы для подложки, являются кремнезем (песок), эшенит (оксид-гидроксид РЗМ/иттрия/титана/ниобия), анатаз (оксид титана), биндемит (оксид-гидроксид свинца/сурьмы), биксбиит (оксид марганца/железа), брукит (оксид титана), хризоберил (оксид бериллия/алюминия), колумбит (оксид железа/марганца/ниобия/тантала), корунд (оксид алюминия), куприт (оксид меди), эвксенит (оксид РЗМ/иттрия/ниобия/тантала/титана), фергусонит (оксид РЗМ/титана), гаусманнит (оксид марганца), гематит (оксид железа), ильменит (оксид железа/титана), перовскит (оксид кальция/титана), периклаз (оксид магния), поликраз (оксид РЗМ/иттрия/титана/ниобия/тантала), псевдобрукит (оксид железа/титана), члены пирохлорной группы, такие, например, как белафит (оксид-гидроксид РЗМ/кальция/натрия/урана/титана/ниобия/тантала), микролит (оксид-гидроксид-фторид кальция/натрия/тантала), пирохлор (оксид-гидроксид-фторид натрия/кальция/ниобия), и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше членов группы; рамсделлит (диоксид марганца), романехит (водный оксид бария/марганца), члены группы рутила, такие, например, как касситерит (оксид олова), платтнерит (оксид свинца), пиролюзит (оксид марганца), рутил (оксид титана), стишовит (диоксид кремния) и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше членов группы рутила; самарскит-(Y) (оксид РЗМ/иттрия/железа/титана), сенармонтит (оксид сурьмы), члены шпинельной группы, такие как хромит (оксид железа/хрома), франклинит (оксид цинка/марганца/железа), ганит (оксид цинка/алюминия), магнезиохромит (оксид марганца/хрома), магнетит (оксид железа) и шпинель (оксид марганца/алюминия) и т.п., или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше членов шпинельной группы; тааффеит (оксид бериллия/марганца/алюминия), танталит (оксид железа/марганца/тантала/ниобия), тапиолит (оксид железа/марганца/тантала/ниобия), уранинит (оксид урана), валентинит (оксид сурьмы), цинцит (оксид цинка/марганца), гидроксиды, такие, например, как бруцит (гидроксид марганца), гиббсит (гидроксид алюминия), гетит (оксид-гидроксид железа), лимонит (водный оксид гидроксид железа), манганит (оксид-гидроксид марганца), псиломелан (оксид-гидроксид бария/марганца), ромеит (оксид-гидроксид кальция/натрия/железа/марганца/сурьмы/титана), стетефелдит (оксид-гидроксид серебра/сурьмы), стибиконит (оксид-гидроксид сурьмы) и т.п., или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше неорганических материалов.

Непроводящие частицы и расклинивающие агенты включают также электропроводящие металлические подложки или неметаллические неорганические подложки, которые покрыты электронепроводящими полимерными покрытиями или электронепроводящими керамическими покрытиями.

Один типичный класс непроводящих частиц и/или расклинивающих агентов включает частицы и/или расклинивающие агенты с высокой диэлектрической постоянной. В одном из вариантов осуществления частицы и/или расклинивающие агенты с высокой диэлектрической константой, как правило, содержат электропроводящую подложку, на которой имеется покрытие с высокой диэлектрической константой. В другом варианте частицы и/или расклинивающие агенты с высокой диэлектрической постоянной, как правило, содержат неорганическую оксидную подложку, на которой имеется покрытие с высокой диэлектрической постоянной. Неорганическая оксидная подложка может представлять собой песок или керамику. Примерами керамики являются неорганические оксиды или оксиды металлов, которые перечислены выше. Частицы и/или расклинивающие агенты с высокой диэлектрической постоянной обычно имеют диэлектрическую постоянную выше или равную приблизительно 2. Примерами подходящих электропроводящих подложек являются медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, кобальт, серебро, ванадий и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, одну из указанных выше подложек. Примерами подходящих высокодиэлектрических материалов являются твердые металлооксидные керамические порошки, такие, например, как перовскиты. Примерами подходящих высокодиэлектрических материалов являются оксид лития/тантала (LiTaO₃), оксид лития/ниобия (LiNbО₃), СаСu₃Тi₄О₁₂, спеченный стабилизированный оксидом циркония оксид иттрия (YSZ), оксид лантана/стронция/галлия/магния (LSGM), оксид алюминия, оксид тантала и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше высоко диэлектрических материалов.

Один из классов непроводящих частиц и/или расклинивающих агентов содержит непроводящие полимерные подложки с диспергированным в частице наполнителем. Непроводящий наполнитель может содержать неметаллические неорганические частицы, органические частицы природного происхождения, такие как молотую или дробленую скорлупу орехов, молотую или дробленую шелуху семян, молотые или дробленые косточки фруктов, переработанную древесину, молотые или дробленые кости животных, полученные синтетически органические частицы и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одну из частиц природного происхождения.

Другим классом непроводящих частиц являются гранулы, содержащие пористое стекло или керамику, которые могут поглощать падающее на них электромагнитное излучение. Подходящие гранулы могут содержать феррит, такой как никель-цинк или барий-феррит, где отношение массы углерода к ферриту больше 0,225. Примеры таких материалов описаны в патентной заявке WO 02/13311. Эти гранулы имеют средний размер от 0,2 до 4,0 мм. Общая пористость составляет от примерно 70 до примерно 80 об.%. Насыпная плотность составляет от примерно 0,5 до примерно 0,8 г/см.

Примерами подходящей молотой или дробленой скорлупы является скорлупа орехов, таких как грецкий орех, пекан, миндаль, слоновый орех, бразильский орех, арахис, кедровый орех, орех кешью, семена подсолнечника, лесной орех, австралийский орех, соевый орех, фисташка, тыквенные семечки и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше орехов. Примерами подходящей молотой или дробленой шелухи зерен (включая косточки фруктов) являются зернышки фруктов, таких как слива, персики, вишня, абрикосы, оливки, манго, хлебное дерево разнолистное, гуайява, анона чешуйчатая (сетчатая), гранат, дыня; молотая или дробленая шелуха семян других растений, таких как кукуруза (например, стержни кукурузного початка), пшеница, рис, индийский сорго и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один из указанных выше деревообрабатываемых материалов, таких, например, как материалы, получаемые из таких пород дерева, как дуб, гикори, ореховое дерево, тополь, красное дерево, в том числе такие породы, которые прошли обработку размолом, колкой или какой-либо другой формой измельчения.

Частицы могут иметь любую желаемую геометрию и любое желаемое распределение частиц по размеру. Геометрия частиц может быть пластинчатой, сферической, сфероидной, кубовидной, конической, цилиндрической, трубчатой, полигональной и т.п. или комбинацией, содержащей, по меньшей мере, одну из указанных выше геометрий. Частицы могут иметь аспектное отношение больше или равное приблизительно 1. Аспектное отношение в данном случае обозначает отношение наибольшего размера частицы к ее наименьшему размеру. В одном из вариантов осуществления желательно иметь аспектное отношение больше или равное приблизительно 5. В другом варианте осуществления желательно иметь аспектное отношение больше или равное приблизительно 50. В еще одном варианте желательно иметь аспектное отношение больше или равное приблизительно 100.

Как отмечалось выше, в одном из вариантов осуществления частицы и/или расклинивающие агенты после их ввода в трещину могут быть модифицированы. Например, электронепроводящие частицы и/или расклинивающие агенты после их ввода в трещину могут вступить в реакцию с образованием электропроводящих или полупроводящих частиц и/или расклинивающих агентов. В одном из вариантов осуществления электронепроводящие частицы перед их вводом в трещину могут быть нанесены на подложку. Подложкой может быть расклинивающий агент, пористая неорганическая подложка, органическая подложка, волокно и т.п. В одном из вариантов осуществления электронепроводящие частицы могут наноситься на подложку и находиться в форме сплошного покрытия на подложке. В другом варианте электронепроводящие частицы могут находиться на подложке в виде отдельных частиц. После ввода в трещину электронепроводящие частицы превращаются в результате реакции в электропроводящие или полупроводящие частицы.

Реакция может включать окисление, восстановление или другие реакционные механизмы, применяемые в области химии. Например, непроводящая частица, содержащая нитрат алюминия, может быть восстановлена с образованием алюминия в результате реакции с водородсодержащей газовой смесью. Алюминий может наноситься на стенки трещины и служить для отражения падающего электромагнитного излучения. Отраженное излучение может быть затем проанализировано для получения информации относительно геометрии трещины.

Примерами электронепроводящих частиц являются соли металлов, такие как сульфаты металлов, нитраты металлов, хлориды металлов, хлораты металлов, фториды металлов, гидроксиды металлов, йодиды металлов, гидроксиды металлов, карбонаты металлов, ацетаты металлов, бромиды металлов и т.п. Электронепроводящие частицы могут вступать в реакцию с газообразным или жидким реагентом с образованием электропроводящей частицы. Реагенты могут содержаться в гидроразрывной текучей среде и могут вводиться в трещину для облегчения реакции независимо от гидроразрывной текучей среды. Примерами подходящих солей металлов являются нитрат алюминия, сульфат меди, нитрат меди и т.д. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, одну из указанных солей.

Желательно, чтобы наименьший размер частицы был порядка 0,1 нм или больше. В другом варианте осуществления наименьший размер частицы может иметь порядок 10 нм или больше. В еще одном варианте осуществления наименьший размер частицы может иметь порядок 100 нм или больше. Наконец, в еще одном варианте осуществления наименьший размер частицы может иметь порядок 1000 нм или больше.

Частицы могут также объединяться в структуры, агрегаты, агломераты, структуры агломератов и т.п. или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одно из указанных объединений частиц. Структура представляет собой объединение частиц, имеющее особый порядок. Примерами структур являются плетеные структуры, ткани, сетки, пряди и т.п. или комбинация, содержащая, по меньшей мере, одну из указанных структур. Эти структуры могут быть образованы перед вводом частиц в трещину либо путем самосборки, либо с помощью принудительного объединения. Альтернативным образом эти структуры могут образовываться после ввода частиц в трещину путем самосборки. Магнитные частицы и/или намагничиваемые частицы могут самопроизвольно объединяться в такие структуры после ввода в трещину. Для облегчения самосборки к частицам после их ввода в трещину может быть применен соответствующий «стимул». Примером подходящего «стимула» является электрическое поле или магнитное поле.

Агрегаты образуются, как правило, частицами, объединяющимися между собой в результате механического ограничения степени свободы или вследствие образования водородных связей, ионных связей, вандерваальсовых сил или комбинации указанных сил. Кластеры агрегатов образуют агломераты. Для создания изображения трещины могут использоваться как агрегаты, так и агломераты частиц. Агломераты в сочетании с агрегатами или отдельными частицами могут также образовывать структуры. Такие структуры носят название структуры агломератов. Структуры агломератов могут также при желании образовываться в результате самосборки.

В одном из вариантов осуществления желательно, чтобы, по крайней мере, часть электропроводящих, полупроводящих и непроводящих частиц и/или расклинивающих агентов прилипла к стенкам или концу трещины. Это позволит частицам отражать сигналы электромагнитного излучения, передаваемые или распространяющиеся в глубь трещины. Для того чтобы поспособствовать частицам прилипнуть к стенкам трещины, может оказаться целесообразным покрыть часть частиц термопластичным или термореактивным полимером, температура стеклования которого ниже температуры в трещине. Полимер будет способствовать прилипанию частиц к стенкам трещины.

В другом варианте осуществления гидроразрывная текучая среда, в которой суспендированы частицы, может содержать клейкое вещество, которое способствует прилипанию частиц к стенкам трещины. Более подробно это будет обсуждаться далее.

Проводящие частицы, непроводящие частицы и/или полупроводящие частицы вводятся в трещину либо одновременно, либо последовательно гидроразрывной текучей средой. Примером подходящей гидроразрывной текучей среды является среда, содержащая воду, хлорид калия до примерно 2 вес.%, водорастворимый полимер, поперечно-сшивающий агент, рН-регулирующую добавку (называемую также буфером), поверхностно-активное вещество для понижения поверхностного натяжения, частицы (добавки и/или наполнители) и регулирующую вязкость добавку.

Вода может быть заменена пеной, текучей средой на основе масла (например, парафиновым маслом) или эмульсией. В том случае, когда используется вода, типичным водорастворимым полимером является гуаровая смола, используемая в количестве от 0,1 до примерно 3 вес.% от общего веса воды. Поперечно-сшивающие агенты включают бораты и соединения титана, циркония или алюминия. Как было отмечено выше, гидроразрывная текучая среда может содержать клейкое вещество, которое облегчает прилипание электропроводящих частиц, полупроводящих частиц и непроводящих частиц к стенкам трещины. Когда воду используют в качестве основы для гидроразрывной текучей среды, может оказаться целесообразным введение в гидроразрывную текучую среду клейких веществ на основе воды. Клейкое вещество может прилипать к стенкам, позволяя прилипать к стенкам трещины частицам-мишеням и вспомогательным частицам.

В одном из вариантов осуществления гидроразрывная текучая среда может содержать реагенты для облегчения превращения электронепроводящих частиц и/или расклинивающих агентов в электропроводящие частицы и/или полупроводящие частицы. Подходящими реагентами могут быть катализаторы, кислоты, основания и т.п. Реагенты обычно присутствуют в концентрации, достаточной для превращения, по крайней мере, части электронепроводящих частиц и/или расклинивающих агентов в электропроводящие или полупроводящие частицы и/или расклинивающие агенты.

Подходящими клейкими веществами для гидроразрывной текучей среды на основе воды являются акриловые полимеры, целлюлозные полимеры, полимерные эмульсии, сополимерные эмульсии и т.п. В случае использования текучей среды на масляной основе желательно использование клейких веществ, которые совместимы с масляной основой. Примерами подходящих клеящих веществ, которые могут быть использованы текучими средами на масляной основе, являются эпоксидные смолы, фенольные смолы, полимеры на основе бутадиена, полимеры на основе изопрена и т.п.

В одном из вариантов осуществления, в котором используется один из вариантов ввода частиц и/или расклинивающих агентов в трещину, желательно вначале вводить в трещину электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты с последующим вводом расклинивающих агентов с высокой диэлектрической постоянной. Как было отмечено выше, частицы и/или расклинивающие агенты могут вводиться в трещину вместе гидроразрывной текучей средой. В одном из вариантов осуществления желательно, чтобы проводящие частицы содержали частицы с высокими аспектными отношениями (например, волокна), а также частицы с низкими аспектными отношениями (например, сферические частицы). В другом варианте осуществления все вводимые в трещину частицы имеют близкое по величине аспектное отношение. Прилипая к стенкам трещины, частицы могут полезным образом образовывать электропроводящую структуру вдоль стенок трещины. Проводящие расклинивающие агенты в дополнение к тому, что они облегчают отражение/передачу сигнала электромагнитного излучения, могут служить в качестве крепления просвета трещины. Расклинивающие агенты с высокой диэлектрической постоянной могут использоваться для облегчения направления волны вдоль длины трещины.

В другом варианте вслед за введением в трещину проводящих частиц в трещину вводятся с целью ее укрепления расклинивающие агенты, прозрачные для сигналов электромагнитного излучения (например, электронепроводящие частицы). Поскольку эти расклинивающие агенты прозрачны для сигналов электромагнитного излучения, они могут обеспечить прохождение через них сигналов без ослабления. Такое сочетание проводящих частиц и/или расклинивающих агентов вдоль стенок трещины с непроводящими частицами, расположенными посередине трещины, позволяет падающему сигналу электромагнитного излучения продвигаться вглубь трещины благодаря отражению сигнала от проводящих частиц, расположенных вдоль стенок трещины. Проводящие частицы, расположенные вдоль стенок трещины, образуют волновод, облегчая тем самым прохождение сигнала электромагнитного излучения вдоль стенок трещины. Сигнал после этого отражается от частиц, расположенных в конце трещины. Частицы, расположенные в конце трещины (т.е. в той части трещины, которая максимально удалена от ствола скважины), обычно называют частицами-мишенями. Отраженный от частиц-мишеней сигнал может быть собран в приемнике и проанализирован в компьютере с целью сбора и/или получения информации относительно геометрии трещины.

В еще одном варианте осуществления, в котором используется другой способ определения геометрии трещины, в трещину вводится первая группа проводящих частиц, имеющих первый набор характеристик электропроводимости. Первая группа частиц будет образовывать частицы-мишени. Затем в трещину вводится вторая группа проводящих частиц, имеющих второй набор характеристик электропроводимости. В одном из вариантов осуществления вслед за вводом в трещину первой группы и второй группы проводящих частиц в трещину могут быть введены, но не обязательно, расклинивающие агенты, прозрачные для сигналов электромагнитного излучения (например, электронепроводящие частицы), для укрепления трещины. В одном из вариантов осуществления вслед за вводом в трещину первой группы и второй группы проводящих частиц для укрепления трещины с одновременным направлением падающего и отраженного излучения в трещину могут быть введены расклинивающие агенты с высокой диэлектрической постоянной, которые могут служить волноводом для сигналов электромагнитного излучения (например, электронепроводящие частицы).

Некоторый набор падающих сигналов электромагнитного излучения затем передается в трещину от скважинного зонда 20. Характеристики отражения сигналов от первой группы проводящих частиц будут отличаться от характеристик отражения от второй группы проводящих частиц. Отражение от первой группы проводящих частиц может быть использовано для определения длины трещины, в то время как отражение от второй группы проводящих частиц может быть использовано для получения дополнительной информации относительно геометрии трещины. В другом варианте осуществления для получения информации относительно геометрии трещины может быть использована разница между первым и вторым наборами отражений.

В еще одном варианте осуществления, в котором используется еще один способ определения геометрии трещины, вначале в трещину вводятся непроводящие частицы, которые будут полностью поглощать/ослаблять сигнал электромагнитного излучения. Непроводящие частицы осядут в конце трещины, т.е. они окажутся концом трещины, наиболее удаленным от ствола скважины. Непосредственно после ввода в трещину непроводящих частиц в трещину вводятся электропроводящие частицы. Как непроводящие, так и электропроводящие частицы наряду с тем, что они взаимодействуют с сигналом электромагнитного излучения, могут служить в качестве расклинивающих агентов. Вслед за вводом в трещину первой группы и второй группы проводящих частиц с целью укрепления при желании трещины в нее могут быть введены частицы, прозрачные для сигналов электромагнитного излучения (например, электропроводящие частицы). Некоторый набор падающих сигналов электромагнитного излучения передается в трещину от скважинного зонда 20. От первой группы частиц не последует отраженных характеристик отражения, так как эти частицы являются полностью поглощающими, в то время как сигналы от сигналов второй группы частиц будут отличаться, поскольку последние являются электропроводящими. Разница в сигналах может быть использована для получения информации относительно геометрии трещины.

Как было отмечено выше, скважинный зонд 20 содержит передающий элемент и приемный элемент. Комбинация передатчика и приемника носит название приемопередатчик. Передающий элемент способен передавать сигналы электромагнитного излучения в диапазоне частот от 300 МГц до 100 ГГц или в любом его поддиапазоне. В одном из вариантов осуществления сигналы могут передаваться в трещину без пульсации. В другом варианте осуществления сигналы могут передаваться в трещину в виде последовательных импульсов. Этот способ основан на том, что пульсирующее электромагнитное излучение характеризует геометрию трещины как функцию расстояния от приемопередатчика. Метод использования пульсирующих частот имеет преимущество в том, что он обеспечивает многолучевую помехоустойчивость и очень высокое разрешение. Типичный импульс электромагнитного излучения имеет длительность всего 1-2 наносекунды. Спектральный состав излученного импульса определяется собственной частотной характеристикой передающей антенны, но часто превышает 1 ГГц. Сами по себе импульсы электромагнитного излучения создают с помощью «схемы импульсного генератора» при использовании дифференциальных входных переключателей, линий задержки, ступенчатых диодов с накоплением заряда и импульсных фильтров. Обычным типом импульса электромагнитного излучения является гауссов моноцикл, который имеет сходство с гладкой одноцикловой синусоидальной волной. Как отмечалось выше, электромагнитное излучение направляется в трещину с помощью специально подобранных для этого частиц.

В еще одном варианте осуществления электромагнитное излучение может содержать непрерывные волновые сигналы с расширенным спектром. Отношение пика к средней мощности у непрерывных волновых сигналов невелико, что делает возможной эмиссию сигналов электромагнитного излучения вниз скважинного ствола с помощью волоконно-оптического кабеля и фотодиода.

По мере сужения ширины трещины (шириной называют расстояние между стенками трещины) энергия от импульса электромагнитного излучения будет возвращаться и спектральный состав возвращенного импульса будет содержать полезную геометрическую информацию, которая может быть использована для характеристики трещины. Возможны множество схем регистрации. Может, например, оказаться целесообразным прослеживать возвращаемую энергию в узкой полосе как функцию времени (частотная область) или же надежные данные могут быть получены с использованием выборки с высоким разрешением в очень узком интервале времени и перемещения этого интервала через последующие импульсы для составления отклика (временная область). С целью использования ценной фазовой информации при перемещении антенны вверх и вниз по стволу скважины могут быть также применены интерферометрические методы радара с синтезированной апертурой (SAR). Наконец, для того чтобы обеспечить возможность составления карты отклика в пределах очень широкого диапазона частот, может оказаться полезным применять импульсы множества диапазонов частот с использованием разных антенн. В одном из вариантов осуществления скважинный зонд может иметь более одной антенны вместе с соответствующей схемой, что позволяет использовать множество частот для экранирования и определения геометрии трещины. В другом варианте осуществления скважинный зонд может иметь регулируемую антенну, что позволяет выполнять передачу и прием частот в широком диапазоне значений длин волн.

В одном из вариантов осуществления в трещину может передаваться электромагнитное излучение, имеющее разные частоты. Путем ввода в трещину разных расклинивающих агентов с различными частотными характеристиками можно получать информацию относительно геометрии трещины. Например, расклинивающий агент, поглощающий электромагнитное излучение на одной частоте, может быть прозрачным для излучения на другой частоте. В другом примере расклинивающий агент, поглощающий электромагнитное излучение на одной частоте, может быть прозрачным для излучения на той же частоте при другой температуре.

Энергия к скважинному зонду может подводиться либо с поверхности, либо от батарей, встроенных в приемопередатчик ствола скважины. Данные могут либо передаваться на поверхность с помощью волоконно-оптической связи с использованием коаксиального кабеля, либо могут записываться в стволе скважины на магнитные носители или флэш-носители. Методы представления характеристики включают стандартные методы обработки сигналов для интерпретации данных временной области или данных частотной области, получаемых с помощью детекторных схем. Радиочастотная энергия генерируется непосредственно от модулированного лазерного луча. Используемые нами напряжения смещения должны оптимальным образом смещать диоды, и в некоторых случаях это может быть нежелательным или необходимым.

Преимуществом способа является то, что в нем не используются радиоактивные материалы, которые могут загрязнять подземные водоносные горизонты или неблагоприятно влиять на природную среду. Кроме того, определение геометрии трещины является очень важным для улучшения дебита нефти и природного газа. При этом знание (и, следовательно, контролирование) геометрических аспектов трещины приводит к большим экономическим и коммерческим последствиям, так как для эффективной добычи нефти необходима подходящая для этого трещина.

В одном из вариантов осуществления получаемая с помощью описанного выше способа информация о трещине может быть с успехом использована для улучшения техники разрыва при проведении последующих операций разрыва в данном пласте. Получаемая относительно трещины информация дает новый и усовершенствованный способ оптимизации для завершения скважин в целом и для гидроразрывных работ в частности. Этот способ направлен на оптимизацию используемых материалов (текучая среда, расклинивающий агент, дробильные средства и т.д.) при операции разрыва, а также оптимизацию высоты, длины и ширины разрыва, обеспечивающую оптимизированную обработку трещины на основе желаемых экономических устремлений. Геометрия создаваемой трещины зависит от напряжений внутри нефте- или газоносного пласта, а также окружающих пластов. Эти напряжения будут определять геометрию трещины и могут моделироваться в трехмерном моделирующем трещину устройстве, а эта геометрия может использоваться для оптимизации обработки трещины.

В другом варианте осуществления методы настоящего изобретения могут быть использованы для проверки и оптимизации моделей пласта, таких как трехмерные модели трещины и программы проектирования обработки. Вместо того чтобы начинать с различных гидроразрывных материалов на основе чьих-либо персональных знаний и предпочтений отдельных лиц и проведения моделирований и экономических анализов с целью проектирования возможных вытекающих отсюда дебита и себестоимости, настоящее изобретение начинает с определения профиля геометрии трещины для заданного коллектора, который был подвергнут разрыву. Профиль геометрии трещины может быть использован в связи с другими производственными данными, в результате чего может быть получен профиль проводимости. После получения профиля проводимости с учетом монотонного падения давления в направлении в глубь трещины в условиях данного коллектора наряду с какими-либо другими потерями, подобными многофазному потоку или повреждению геля, материалы, необходимые для получения этого профиля проводимости, определяются в соответствии с их характеристиками и экономическими факторами. Материалы отбираются на основании их способности обеспечивать проводимость и их класса, основанного на экономической ценности для целей проводимости трещины (например, о расклинивающем агенте судят по прочности и балансе себестоимости и проводимости для данных условий коллектора, напряжения, температуры и т.д.). В результате неподходящие материалы отбрасываются в самом начале анализа, благодаря чему материалы, которые необходимо оценить в выбранном проекте, представляют собой лишь те материалы, с которыми возможно достичь целевой конечной проводимости экономичным образом. В то время как прежний подход мог бы привести к очень большому числу комбинаций материалов, оцениваемых с точки зрения достижения желаемых результатов методом проб и ошибок, настоящий подход значительно уменьшает число комбинаций материалов для проектируемого процесса и создает такую ситуацию, при которой материалами в оценочном способе являются только такие, которые следовало бы рассмотреть для условий коллектора. Благодаря этому при конечном моделировании используются технически подходящие материалы, которые являются наиболее ценными для желаемого уровня проводимости. Для оптимизации трещины следует произвести проверку с помощью методов настоящего изобретения желаемой теоретической длины, предназначенной для моделирования. Новый подход может уменьшить число итераций, необходимых для операции разрыва, и значительно уменьшить процесс перепроектирования на участке скважины.

Таким образом, настоящее изобретение может быть определено как моделируемый с помощью компьютера способ разрыва пласта и завершения скважины, включающий: проведение испытаний с помощью сигналов электромагнитного излучения на подземной скважине для получения данных относительно геометрии трещины и ввод данных в компьютер; определение - в компьютере и в отклике на данные - желаемой начальной длины трещины и проводимости для формируемой трещины, по меньшей мере, в одном земном пласте, пересекаемом скважиной; определение - в компьютере и в отклике на данные и желаемую начальную длину трещины и проводимость - расклинивающего агента и гидроразрывной текучей среды, предлагаемой для закачки в скважину для разрыва земного пласта; определение - в компьютере - программы обработки для закачки текучей среды и расклинивающего агента в скважину; и закачка текучей среды и расклинивающего агента в скважину в соответствии, по крайней мере, с частью программы обработки. Этот способ может далее включать: измерение - в реальном времени при одновременной закачке текучей среды и расклинивающего агента - параметров ствола скважины; модифицирование - на компьютере и в отклике на измеренные параметры ствола скважины - программы обработки; и продолжение закачки текучей среды и расклинивающего агента в соответствии с модифицированной программой обработки.

В одном из вариантов осуществления способ завершения скважины с целью получения желаемой производительности включает зондирование скважины с целью получения данных, используемых при измерении физических и механических свойств подземного пласта, пересекаемого скважиной; ввод данных в компьютер; использование полученных данных и заданных кривых роста производительности, закодированных в сигналы, сохраняемые в компьютере, определение в компьютере желаемой длины трещины; определение - в компьютере и в отклике на введенные данные - ожидаемой ширины трещины; определение в компьютере и в отклике на желаемую длину трещины и ожидаемую ширину трещины - желаемого осаждения расклинивающего агента;

определение - в компьютере и в отклике на сохраняемые в компьютере заданные данные - желаемой концентрации расклинивающего агента; определение - в компьютере и в отклике на введенные данные - температуры в скважине; определение - в компьютере и в отклике на полученную температуру - гидроразрывной текучей среды, которая должна закачиваться в скважину с целью разрыва пласта; запуск на компьютере программы моделирования коллектора и программы, моделирующей экономические характеристики; с использованием полученного расклинивающего агента и текучей среды, для определения программы желаемой обработки для закачки текучей среды и расклинивающего агента в скважину; и закачка текучей среды и расклинивающего агента в скважину в соответствии программой обработки. Последняя может включать также получение дополнительных данных относительно скважины при закачке текучей среды и расклинивающего агента и модифицирование программы обработки в реальном времени таким образом, что закачка продолжается в соответствии с модифицированной программой обработки.

В другом варианте осуществления способ определения гидроразрывной обработки для скважины включает сохранение данных по физическим свойствам применительно к выбранной скважине в компьютере, в котором хранятся также данные, определяющие заданные зависимости повышения дебита и заданные зависимости осаждения и концентрации расклинивающего агента; автоматическое получение на компьютере - в ответ на данные по физическим свойствам и данные, определяющие зависимости повышения дебита и заданные зависимости осаждения и концентрации расклинивающего агента - данных, определяющих предложенную программу обработки трещины, включающую предложенную систему расклинивающего агента и текучей среды; тестирование предложенной программы обработки трещины в хранящейся в компьютере программе, моделирующей трещину; и проведение на компьютере экономического анализа предложенной программы обработки трещины. Способ, кроме того, может включать: повторение операций выполнения действий, тестирования и выполнения анализа с целью составления, по меньшей мере, еще одной программы обработки трещины; и выбор одной из программ обработки трещины для управления гидроразрывной обработкой применительно к выбранной скважине.

Хотя изобретение описывается со ссылками на типичные варианты осуществления, специалистам в данной области следует иметь в виду, что в рамках изобретения возможны различные изменения, а элементы изобретения могут заменяться своими эквивалентами. Кроме того, оставаясь в основном в рамках изобретения, можно произвести множество модификаций с целью адаптации какой-либо конкретной ситуации или материала к настоящему изобретению. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, раскрытым как наилучший вариант осуществления этого изобретения.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и, в частности, к гидравлическому разрыву подземных пластов, необходимому, например, для интенсификации притока нефти и/или газа в скважину. Изобретение обеспечивает повышение надежности и безопасности оценки геометрии трещины гидравлического разрыва с уменьшением затрат на эту операцию. Сущность изобретения: по способу осуществляют следующие операции: вводят в трещину частицу-мишень и/или расклинивающий агент; вводят в трещину электромагнитное излучение с частотой от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц; анализируют отраженный сигнал от частицы-мишени для определения геометрии трещины. Раскрыт также способ определения геометрии подземной трещины, включающий операции, на которых: вводят в трещину частицу-мишень и/или расклинивающий агент, при этом частица-мишень и/или расклинивающий агент содержат высокодиэлектрическую керамику, имеющую диэлектрическую постоянную больше или равную приблизительно 2; вводят в трещину электромагнитное излучение с частотой меньшей или равной приблизительно 3 ГГц; анализируют отраженный сигнал от частицы-мишени и/или расклинивающего агента для определения геометрии трещины. 4 н.п. и 23 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения геометрии подземной трещины, содержащий операции, на которых вводят в трещину частицу-мишень и/или расклинивающий агент; вводят в трещину электромагнитное излучение с частотой от примерно 300 МГц до примерно 100 ГГц; и анализируют отраженный сигнал от частицы-мишени и/или поверхности трещины для определения геометрии трещины.

2. Способ по п.1, в котором частица-мишень и/или расклинивающий агент является электропроводящим, электронепроводящим, полупроводящим или их комбинацией, где частица-мишень и/или расклинивающий агент занимают положение в конце трещины или в конце ответвления, отходящего от трещины.

3. Способ по п.2, в котором электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты содержат металлические частицы и/или расклинивающие агенты, непроводящие частицы и/или расклинивающие агенты с металлическим покрытием, углеродистые частицы и/или расклинивающие агенты, электропроводящие оксиды металлов, электропроводящие полимерные частицы или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один тип из указанных выше частиц.

4. Способ по п.3, в котором металлические частицы и/или расклинивающие агенты содержат металлы, при этом металлы содержат медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, ванадий, кобальт, серебро или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше металлов.

5. Способ по п.3, в котором электропроводящие частицы и/или расклинивающие агенты содержат углеродистые частицы или электропроводящие оксиды металлов, при этом углеродистыми частицами являются технический углерод, кокс, графитовые частицы, фуллерены, углеродные нанотрубки, одностенные углеродные нанотрубки, двустенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки или комбинация, содержащая, по меньшей мере, один тип указанных выше углеродистых частиц.

6. Способ по п.1, в котором частицы-мишени и/или расклинивающий агент содержат частицу с высокой диэлектрической постоянной и/или расклинивающий агент, имеющий диэлектрическую постоянную, выше или равную приблизительно 2.

7. Способ по п.1, в котором частицы-мишени и/или расклинивающий агент содержат частицу с высокой диэлектрической постоянной и/или расклинивающий агент, имеющий диэлектрическую постоянную, выше или равную приблизительно 6.

8. Способ по п.6, в котором частица с высокой диэлектрической постоянной и/или расклинивающий агент содержат металлическую положку, на которую нанесено керамическое покрытие, при этом керамическое покрытие имеет диэлектрическую постоянную, выше или равную приблизительно 2.

9. Способ по п.6, в котором частица с высокой диэлектрической постоянной содержит керамику, имеющую диэлектрическую постоянную, выше или равную приблизительно 2.

10. Способ по п.9, в котором металлическая подложка содержит медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, ванадий, кобальт, серебро или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше металлов.

11. Способ по п.8, в котором керамика содержит перовскиты.

12. Способ по п.8, в котором керамика содержит оксид лития/тантала - LiTaO₃, оксид лития/ниобия - LiNbO₃, CaCu₃Ti₄O₁₂, спеченный диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия - YSZ, оксид лантана/стронция/галлия/магния - LSGM, оксид алюминия, оксид тантала или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одну из указанных выше керамик.

13. Способ по п.1, в котором электромагнитное излучение имеет частоту, меньшую или равную приблизительно 3 ГГц.

14. Способ определения геометрии подземной трещины, содержащий операции, на которых вводят в трещину частицу-мишень и/или расклинивающий агент, при этом частица-мишень и/или расклинивающий агент содержит керамику с высокой диэлектрической постоянной, большей или равной приблизительно 2; вводят в трещину электромагнитное излучение с частотой, меньшей или равной приблизительно 3 ГГц; и анализируют отраженный сигнал от частицы-мишени для определения геометрии трещины.

15. Способ по п.14, в котором частицы-мишени и/или расклинивающий агент содержит керамику, имеющую диэлектрическую постоянную, большую или равную приблизительно 6.

16. Способ по п.14, в котором частица-мишень и/или расклинивающий агент содержит металлическую подложку, на которую нанесено керамическое покрытие, при этом керамическое покрытие имеет диэлектрическую постоянную, большую или равную приблизительно 20.

17. Способ по п.16, в котором металлическая подложка содержит медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, ванадий, кобальт, серебро или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных выше металлов.

18. Способ по п.14, в котором керамика с высокой диэлектрической постоянной содержит перовскиты.

19. Способ по п.14, в котором керамика содержит оксид лития/тантала - LiTaO₃, оксид лития/ниобия - LiNbO₃, СаСu₃Тi₄O₁₂, спеченный диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия - YSZ, оксид лантана/стронция/галлия/магния - LSGM, оксид алюминия, оксид тантала или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одну из указанных выше керамик.

20. Способ по п.14, в котором электромагнитное излучение имеет частоту, меньшую или равную приблизительно 1 ГГц.

21. Расклинивающий агент, содержащий металлическую или неорганическую оксидную подложку и покрытие, нанесенное на металлическую или неорганическую оксидную подложку, при этом расклинивающий агент имеет диэлектрическую постоянную, большую или равную приблизительно 2.

22. Расклинивающий агент по п.21, в котором металлическая подложка содержит медь, алюминий, сталь, железо, латунь, никель, ванадий, кобальт, серебро или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, один из указанных металлов.

23. Расклинивающий агент по п.21, в котором неорганический оксид содержит песок.

24. Расклинивающий агент по п.21, в котором неорганический оксид содержит керамику.

25. Расклинивающий агент по п.21, в котором керамика содержит перовскиты.

26. Расклинивающий агент по п.24, в котором керамика содержит оксид лития/тантала - LiТаO₃, оксид лития/ниобия - LiNbO₃, CaCu₃Ti₄O₁₂, спеченный диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия - YSZ, оксид лантана/стронция/галлия/магния - LSGM, оксид алюминия, оксид тантала или комбинацию, содержащую, по меньшей мере, одну из указанных выше керамик.

27. Способ получения расклинивающего агента, содержащий операцию, на которой наносят покрытие на металлическую или неорганическую оксидную подложку, при этом добавление покрытия к подложке повышает диэлектрическую постоянную расклинивающего агента до величины, большей или равной приблизительно 2.