СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТРЕЩИН ГИДРОРАЗРЫВА Российский патент 2014 года по МПК E21B47/14 G01V1/00 

Изобретение относится к способам скважинной сейсморазведки, способным решать задачи, связанные с контролем состояния трещин гидроразрыва пласта (ГРП) путем исследования сейсмических колебаний, излучаемых трещинами.

ГРП является эффективным способом интенсификации добычи углеводородов из буровой скважины путем увеличения проницаемости продуктивного пласта после формирования трещин гидроразрыва.

Для определения геометрии образовавшихся в результате ГРП трещин и развития их во времени (мониторинга) в настоящее время применяют различные технологии и методики. Наиболее широко известны способы визуализации гидроразрыва, опирающиеся на регистрацию пассивной сейсмоакустической эмиссии (СЭ). Эти способы обеспечивают оценку пространственной ориентации трещины и ее длины во время операций по гидроразрыву.

Сейсмический мониторинг, использующий пассивную СЭ, в настоящее время интенсивно развивается во всем мире (Maxwell S.C., Urbancic Т.I., 2001; Кузнецов О.Л. и др., 2006). В качестве наиболее перспективного при этом считают способ, основанный на пассивной локации, осуществляющий 3D-обзор нижнего пространства площадной системой приема, установленной на дневной поверхности.

Известна технология пассивной сейсморазведки «Сейсмолокация очагов эмиссии - СЛОЭ» для прослушивания СЭ (Кузнецов О.Л. и др., 2006). Эта технология от стандартной технологии МОГТ-4D отличается тем, что на основе использования волн СЭ реализована возможность непрерывного и неограниченного во времени прослушивания техногенных процессов, протекающих в геологической среде. Однако недостатком СЛОЭ, как и любых других технологий пассивной сейсморазведки, является невысокий уровень сигнала, излучаемого как непосредственно исследуемым объектом, например, трещиной, формирующейся в результате ГРП, так и более мелкими трещинами, образующимися в зоне повышенных напряжений в окрестности края трещины ГРП. При этом сама трещина ГРП, являющаяся причиной СЭ, функционирует как насос, поскольку при ее раскрытии флюид втягивается в полость трещины, а при схлопывании выжимается из нее. Из этого следует, что раскрытие и схлопывание полости трещины, являющейся упругой системой, может осуществляться более интенсивно при стороннем сейсмоакустическом воздействии на трещину. Такое воздействие можно осуществлять путем погружения в скважину, пересекающую трещину ГРП, источника импульсных или непрерывных колебаний. Передача энергии от источника к трещине, способной работать в режиме излучения, будет происходить непосредственно через жидкость, содержащуюся в скважине.

Известен способ определения параметров системы трещин гидроразрыва, включающий волновое (сейсмоакустическое) воздействие упругих колебаний на продуктивный пласт через жидкость, содержащуюся в скважине, пересекающей трещины гидроразрыва (Дыбленко В.П. и др., 2009). Такое воздействие на пласт приводит, по мнению авторов этого способа, к инициированию дополнительного трещинообразования и вибрационному гидроразрыву пласта, следствием чего является сейсмическая эмиссия (СЭ), которую и предлагается регистрировать. Путем регистрации СЭ трехкомпонентными геофонами, расположенными на земной поверхности, определяют пространственное расположение вершин образующихся трещин.

Недостатком данного известного способа является необходимость создавать большие амплитуды давлений, необходимых для разрушения горной породы, при которых происходит сейсмическая эмиссия. Существенно, что сейсмическая эмиссия связана именно с процессом разрушения и возникновением новых трещин, а не с колебаниями уже существующих трещин. Кроме того, регистрация СЭ проводится на земной поверхности. При высоком уровне помех, характерном для наблюдений на земной поверхности, выделить сейсмические сигналы, связанные с СЭ, весьма сложно. Кроме того, использование трехкомпонентного приема при наличии зоны малых скоростей (ЗМС) может оказаться неэффективным из-за сложностей разделения волн с использованием характеристики направленности первого рода в связи с субвертикальным выходом лучей для волн различных типов и классов.

Известен способ и система для мониторинга заполненных жидкостью областей в среде на основе граничных волн, распространяющихся по их поверхности (RU 2327154). В этом способе регистрируют резонансные колебания в заполненной жидкостью скважине, пересекаемой трещиной при возбуждении их каким-либо источником колебаний, и анализируют самые низкие резонансные частоты таких колебаний. По низшим резонансным частотам определяют размер трещины. При этом неявно предполагается, что низшие резонансные частоты связаны с резонансными колебаниями, обусловленными граничными волнами, распространяющимися вдоль заполненной жидкостью трещины. Однако авторы не учитывают, что низкочастотные резонансы в скважине могут возникать не только из-за граничных волн в трещине, но и вследствие резонансов гидроволны (волны Стоунли), распространяющейся вдоль ствола скважины.

Ввиду большой глубины скважин резонансные частоты колебаний жидкости в скважине, связанные с гидроволной, могут быть ниже или перекрывать низшие частоты резонансов, связанных с граничными волнами в трещине, и, таким образом, неправильно интерпретироваться.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) можно считать методику и систему для выполнения межскважинных исследований, позволяющие регистрировать сейсмические колебания, возникающие при гидроразрыве, вызванном интенсификацией притока в скважину, нагнетанием жидкости в скважину и другими причинами, приводящими к разрушению горных пород с образованием в них трещин (RU 2439621). Регистрация микросейсмического колебания одним или несколькими многокомпонентными датчиками позволяет определить местоположение гидроразрыва, а также судить о колебании давления в скважине, геометрии роста трещины и главном направлении напряжения в пласте.

Основным недостатком прототипа является регистрация непосредственно суммарного сигнала, сформированного в результате интерференции возбуждающего сигнала, излучаемого погруженным в скважину источником, и резонансными колебаниями, излучаемыми возникшей при этом системой трещин ГРП. Выделить в чистом виде резонансные колебания из такого суммарного сигнала весьма трудно, как и определить параметры системы трещин по таким суммарным колебаниям.

Цель изобретения - повышение надежности определения пространственной ориентации системы трещин гидроразрыва и ее размеров.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения параметров системы трещин гидроразрыва, включающем возбуждение упругих колебаний источником колебаний в скважине, пересекающей трещины гидроразрыва, регистрацию в точках приема по меньшей мере в одной соседней скважине резонансных колебаний, излучаемых системой трещин гидроразрыва при возбуждении в буровой жидкости упругих колебаний, и определение параметров системы трещин по возникающим при этом в трещинах резонансным колебаниям, возбуждение колебаний в скважине и их регистрацию проводят до и после гидроразрыва. При этом для каждой фиксированной пары источник-приемник формируют разностную сейсмическую запись из записей, полученных до и после гидроразрыва, на разностной сейсмозаписи выделяют сигналы, излучаемые системой трещин, и по этим сигналам судят о параметрах трещин. В отличие от способа (RU 2327254), анализируются не резонансные колебания жидкости в скважине, которую пересекает трещина, а анализируются амплитуды сейсмоакустических волн, излученных трещиной во внешнюю упругую среду под действием источника давления в скважине, которую она пересекает, и зарегистрированных в другой скважине. При этом резонансную частоту сейсмических колебаний излучателя в виде системы трещин гидроразрыва находят путем возбуждения непрерывных колебаний жидкости в скважине в достаточно широком диапазоне сейсмических частот. Нижнюю границу рабочего диапазона частот непрерывных колебаний, возбуждаемых в жидкости, берут заведомо меньшей, чем предполагаемые резонансные частоты системы трещин гидроразрыва, а верхнюю его границу берут большей, чем эти резонансные частоты. О размере трещин судят по резонансным частотам, излучаемым системой трещин гидроразрыва. В одном из вариантов изобретения сейсмические колебания, излучаемые системой трещин гидроразрыва, регистрируют в скважинах, расположенных в различных направлениях от скважины, пересекающей трещины гидроразрыва, и по кинематическим и динамическим параметрам зарегистрированных сигналов судят о параметрах системы трещин. В еще одном из вариантов изобретения колебания, излучаемые системой трещин гидроразрыва, регистрируют не только в одной из соседних скважин, но и в точках приема, расположенных в приповерхностной зоне.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Возбуждение упругих колебаний в жидкости, содержащейся в скважине, пересекающей трещину, приводит к формированию интенсивных гидроволн, воздействующих на неоднородности, пересеченные стволом скважины. Наиболее контрастными неоднородностями являются трещины гидроразрыва, сформировавшиеся в результате ГРП. Одиночные трещины, формирующие систему близко расположенных трещин, способны самостоятельно излучать колебания под воздействием гидроволн, возбужденных источником колебаний, погруженным в содержащуюся в скважине жидкость. Если же колебания возбуждают источником, расположенным в скважине непосредственно в интервале, содержащемся внутри системы трещин, то колебания непосредственно трещин происходят синхронно с возбуждением колебаний источником, инициирующим сейсмоакустическую эмиссию трещин. Тем самым режим возбуждения колебаний системой трещин ГРП из пассивного переходит в режим активный, при котором интенсивность сейсмоакустического излучения трещин ГРП возрастает. Трехкомпонентная регистрация этого сигнала в соседних скважинах, а не на земной поверхности, позволяет более надежно определять пространственную ориентацию системы трещин и ее размеры. Система трещин, обладающая конечными размерами и упругими свойствами, характеризуется присущими ей резонансными частотами, сформированными парциальной частотой каждой из трещин, входящей в систему трещин. Учет априорной информации об упругих свойствах пород, слагающих продуктивный горизонт, а также флюидов, содержащихся в трещинах, позволяет по зарегистрированным резонансным частотам судить о размерах системы трещин (или одной из преобладающих трещин). Источник колебаний, возбуждающий колебание трещины (или системы трещин) как единого целого, сам по себе излучает в окружающее пространство сейсмические колебания безотносительно существования трещин ГРП. Поэтому регистрируя в других скважинах колебания такого источника до и после формирования трещин ГРП, можно удалять колебания, связанные непосредственно с источником, с сейсмических записей, оставляя на разностных записях лишь колебания, связанные с системой трещин гидроразрыва. Одновременная регистрация колебаний, излучаемых трещинами ГРП, в скважинах и в приповерхностной зоне позволяет добиться сверхсуммарного эффекта в отличие от регистрации колебаний либо в скважине, либо в приповерхностной зоне. Дело в том, что в скважине сигнал регистрируется в наименее искаженном виде и может быть использован при последующей обработке данных скважинных и наземных наблюдений. Однако наземную регистрацию колебаний в количестве точек приема, достаточном для решения обратных задач, обеспечить обычно легче, чем путем регистрации колебаний в скважине малоканальными зондами ВСП.

Способ осуществляют следующим образом.

В жидкость, находящуюся в скважине, в которой проводят гидроразрыв пласта, погружают источник сейсмических колебаний, регистрируемых, по меньшей мере, в одной из соседних скважин, при помощи трехкомпонентного зонда ВСП. Возбуждение и регистрацию колебаний при этом проводят до осуществления ГРП и после него. После формирования системы трещин посредством ГРП каждая из трещин становится источником колебаний, которые возбуждаются посредством воздействия на нее гидроволны, возбужденной источником, погруженным в жидкость, содержащуюся в той же скважине.

В отличие от волновых полей, наблюдаемых до проведения ГРП, в соседних скважинах будут регистрироваться также волны, излучаемые трещинами ГРП. Изменяя частоту колебаний, возбуждаемых в жидкости источником, в одной из соседних скважин путем регистрации колебаний, излучаемых системой трещин ГРП, определяют резонансные частоты, характерные для трещин как автономных источников колебаний. Резонансная частота определяется по максимуму амплитудных спектров волновых сейсмических полей, зарегистрированных в соседних скважинах, отнесенных к амплитудному спектру давления, зарегистрированного в скважине с трещиной гидроразрыва в определенном диапазоне частот. Формируемый затем диапазон частот колебаний, излучаемых источником непрерывных колебаний, оказывающим волновое (сейсмоакустическое) воздействие на трещины ГРП, берут таким, чтобы этот диапазон заведомо содержал резонансные частоты, присущие системе трещин. Тем самым излучение системы трещин окажется существенно более интенсивным, чем при пассивной СЭ. Для каждой фиксированной пары источник-приемник регистрируют колебания до проведения ГРП и после него. Вычитание записей одна из другой позволит избавиться от регистрации волн, не связанных с системой трещин ГРП, что позволит существенно упростить выделение волн, возбуждаемых непосредственно трещинами при волновом воздействии на них колебаний, излучаемых источником, расположенным в жидкости.

В качестве источников колебаний в предлагаемом способе можно использовать гидродинамические генераторы типа ГДВ2В-20, ГДВ2В-30, а также струйные насосы. В качестве погружного виброисточника может быть использован гидравлический вибратор известного типа (Turpening et al., 2000). Качество контакта каждого из приборов зонда ВСП со стенками скважины должно быть настолько высоким, чтобы исключались паразитные колебаний корпусов приборов на контакте. Достигается это путем использования в скважинных приборах башмаков, жестко прикрепленных к корпусу каждого прибора (Шехтман Г.А., Касимов А.Н.О., Редекоп В.А., 2012).

Выделение сигналов, излучаемых трещинами ГРП, осуществляется путем применения стандартных процедур обработки, содержащихся в пакетах, предназначенных для обработки и интерпретации записей ВСП. Определение интервальных значений скоростей распространения продольных и поперечных волн, а также использование данных о плотностях, полученных в результате проведения гамма-гамма каротажа, позволит наиболее однозначно связать параметры колебаний, излучаемых трещинами, с размерами трещин и их ориентацией в пространстве.

Регистрация сигналов, генерируемых трещинами ГРП, в соседних скважинах позволяет оценить параметры этих сигналов в наименее искаженном виде. Достоверная информация о параметрах этих сигналов может быть использована при обработке записей наземными сейсмоприемниками, регистрирующими сейсмоакустическую эмиссию одновременно с регистрацией этих сигналов зондами ВСП (например, при деконволюции записей, полученных внутри среды и на земной поверхности). Таким образом, одним из вариантов предлагаемого изобретения является его модификация, в которой СЭ регистрируют в скважинах и в приповерхностной зоне. Существенное отличие такой модификации от прототипа состоит в том, что упругие колебания трещин, образовавшихся при ГРП, регистрируют не только на земной поверхности, но и внутри среды. При этом число точек приема берут большим, чем число определяемых параметров трещин гидроразрыва. Понятие «приповерхностная» зона подразумевает в данном случае верхнюю часть разреза (ВЧР). Погружая сейсмоприемники в мелкие скважины, расположенные в ВЧР, можно избавиться от поверхностных волн-помех и микросейсм, препятствующих выделению полезных сигналов на этапе обработки из-за ограниченного мгновенного динамического диапазона сейсмической записи в серийной сейсморегистрирующей аппаратуре.

Приведем пример модельных исследований, направленных на оценку параметров колебаний, излучаемых трещиной гидроразрыва. Пример этот показывает осуществимость предлагаемого изобретения в части возможности оценки размеров трещины ГРП по параметрам излучаемых ею колебаний.

По самой технологии создания трещин гидроразрыва они заполнены жидкостью, которая представляет собой волновод, по которому может распространяться акустическая энергия. Основная часть энергии акустического поля в трещине гидроразрыва переносится основной симметричной модой - волной Крауклиса (Крауклис П.В., 1962). В длинноволновом пределе по отношению к раскрытию трещины δ (δω/c_f<<1) волновое число волны Крауклиса k_Kr(ω) дается следующим выражением (Крауклис П.В., 1962; Деров А.В., Максимов Г.А., 2008)

$$k_{Kr}(\omega )={\left(\frac{\omega }{c_s}\right)}^{2/3}{\left(\frac{\Delta }{\delta }\right)}^{1/3}\Delta =\frac{{\rho }_f/{\rho }_s}{1-{(c_s/c_l)}^2}(1)$$

Здесь через ρ_f и c_f обозначены плотность и скорость звука в жидкости, заполняющей трещину гидроразрыва, а через ρ_s, c_s, c_l - соответственно, плотность и скорости поперечных и продольных волн в упругой среде.

Для простейшей оценки частоты резонансов волны Крауклиса в трещине гидроразрыва можно рассмотреть трещину дисковой формы с радиусом R, Для трещин другой формы оценка также может быть выполнена, но она существенно сложнее. Условие радиального резонанса для дисковой трещины имеет вид:

$$k_{Kr}(\omega )R=\pi n/2n=\mathrm{1,2,}\dots (2)$$

Основному резонансу n=1 соответствует резонансная частота f=ω/2π

$$f=\frac{1}{4}\sqrt{\frac{\pi }{2}}\frac{c_s}{R}{\left(\frac{\delta }{R\Delta }\right)}^{1/2}(3)$$

Предполагая далее, что характерное аспектное соотношение для трещин гидроразрыва имеет порядок δ/R~10^-3÷10^-4, для типичных значений упругих параметров среды получим следующую оценку:

$$f=({10}^{-2}-3\cdot {10}^{-3})\frac{c_s}{R}(4)$$

В таблице 1 приведены оценки резонансной частоты для трещин с характерными радиусами и аспектными соотношениями.

Таблица 1. Оценка резонансной частоты волны Крауклиса для трещин разных размеров   R=1 м R=3 м R=10 м R=50 м δ/R=10^-2 50 Гц 20 Гц 5 Гц 1 Гц δ/R=10^-3 20 Гц 6 Гц 2 Гц 0.4 Гц δ/R=10^-4 5 Гц 1.7 Гц 0.5 Гц 0.1 Гц

Поскольку на резонансной частоте длина объемной продольной волны в упругой среде существенно (на два порядка) превосходит геометрический размер трещины, то в дальней волновой зоне r>>c_l/f (на расстояниях более 2 км для частот выше 5 Гц) излучение трещины на этих частотах будет носить преимущественно монопольный характер, амплитуда которого может быть оценена по вариации общего объема жидкости V(t), заполняющей трещину. Потенциал эффективного точечного источника продольных волн может быть записан в виде

$$\varphi =-\frac{\dot{V}(t-r/c_l)}{4\pi r}(5)$$

Формула (5) позволяет оценить амплитуды продольных волн, излучаемых трещиной гидроразрыва, поскольку изменение объема жидкости легко контролируется при ее перетоках в скважину.

В ближней волновой зоне r≤≤c_l/f (на расстояниях менее 1 км для частот ниже 5 Гц) излучение трещины будет анизотропным, что позволяет использовать эту анизотропию при регистрации сейсмических полей в соседних скважинах для определения ориентации трещины гидроразрыва.

Положительный эффект в предлагаемом изобретении достигается, главным образом, путем перехода от регистрации пассивной сейсмоакустической эмиссии трещин гидроразрыва к регистрации активного сейсмоакустического излучения трещин гидроразрыва, обеспечиваемого путем волнового воздействия на трещины источником колебаний, погружаемым в скважину, пересекающую трещины ГРП, а также за счет того, что регистрацию колебаний проводят до и после гидроразрыва. Формирование разностных записей из записей, полученных до и после гидроразрыва, позволяет в значительной степени подавить волны-помехи, не связанные с излучением резонансных колебаний непосредственно трещинами. Регистрация колебаний, излучаемых трещинами ГРП, в соседних скважинах, где уровень шумов существенно ниже, позволяет более надежно выделить сигналы, генерируемые трещинами ГРП, и по кинематическим и динамическим параметрам этих сигналов судить о размерах и пространственном положении трещин. Сочетание скважинных и наземных наблюдений позволяет увеличить отношение сигнал/помеха при обработке наземных данных путем использования опорных сигналов, в качестве которых можно при этом использовать резонансные колебания, зарегистрированные в скважине в более чистом виде, чем в приповерхностной зоне

Предлагаемый способ не вытекает из существующего уровня техники, и совокупность его существенных признаков отличается от существенных признаков известных способов определения параметров системы трещин гидроразрыва.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить эффективность разработки месторождений углеводородов путем более надежной оценки эффектов увеличения проницаемости продуктивных пластов, обеспечиваемых посредством проведения гидроразрыва пласта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Андерхилл У.Б., Лини СВ., Герез Д., Фейярд А. Методика и система для выполнения межскважинных исследований // Патент РФ №243962], опубликован 10.01.2012.

2. Деров А.В., Максимов Г.А. Возбуждение гидроволн в скважине, пересекаемой трещиной конечного размера, под действием внешней сейсмической волны // Технологии сейсморазведки. 2008, Т.4, стр.60-63.

3. Дыбленко В.П., Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Рогоцкий Г.В., Ащепков Ю.С., Шарифуллин Р.Я. Способ разработки месторождений полезных ископаемых, добываемых через скважины // Патент РФ №2357073, опубликован 27.05.2009.

4. Крауклис П.В. О некоторых низкочастотных колебаниях жидкого слоя в упругой среде. // ПММ 1962, Т.26, №6, с.1111-1115.

5. Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Фирсов В. Сейсмический мониторинг как инструмент повышения эффективности разработки нефтяных месторождений // Технологии ТЭК, июнь 2006.

6. Сегал А.Ю., М. Тьерселен, К. Бессон Способ и система для мониторинга заполненных жидкостью областей в среде на основе граничных волн, распространяющихся по их поверхностям// Патент РФ №2327154, опубликован 20.06.2008.

7. Шехтман Г.А., Касимов А.Н.О., Редекоп В.А. Скважинный сейсмический прибор: Патент РФ №2444030, 2012.

8. Maxwell S.C., Urbancic T.I. The role of passive microseismic in the instrumented oil field // The Leading Edge. June 2001.

9. Turpening R., Krasovec M., Paulsson В., Haldorsen J., Greaves R., Coates R. Imaging with reverse vertical seismic profiles using a downhole hydraulic axial vibrator // SEG 2000 Expanded Abstracts.

Изобретение относится к способам скважинной сейсморазведки. Техническим результатом является повышение надежности определения пространственной ориентации системы трещин гидроразрыва и ее размеров. Способ включает возбуждение упругих колебаний источником колебаний в скважине, пересекающей трещины гидроразрыва, регистрацию в точках приема по меньшей мере в одной соседней скважине резонансных колебаний, излучаемых системой трещин гидроразрыва при возбуждении в буровой жидкости упругих колебаний, и определение параметров системы трещин по возникающим при этом в трещинах резонансным колебаниям. Возбуждение колебаний в скважине и их регистрацию проводят до и после гидроразрыва. При этом для каждой фиксированной пары источник-приемник формируют разностную сейсмическую запись из записей, полученных до и после гидроразрыва, на разностной сейсмозаписи выделяют сигналы, излучаемые системой трещин, и по этим сигналам судят о параметрах трещин. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения параметров системы трещин гидроразрыва, включающий возбуждение упругих колебаний источником колебаний в скважине, пересекающей трещины гидроразрыва, регистрацию в точках приема по меньшей мере в одной соседней скважине резонансных колебаний, излучаемых системой трещин гидроразрыва при возбуждении в буровой жидкости упругих колебаний, и определение параметров системы трещин по возникающим при этом в трещинах резонансным колебаниям, отличающийся тем, что, с целью повышения однозначности определения параметров системы трещин гидроразрыва, возбуждение колебаний в скважине и их регистрацию проводят до и после гидроразрыва, при этом для каждой фиксированной пары источник-приемник формируют разностную сейсмическую запись из записей, полученных до и после гидроразрыва, на разностной сейсмозаписи выделяют сигналы, излучаемые системой трещин, и по этим сигналам судят о параметрах трещин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонансную частоту системы трещин гидроразрыва определяют по максимуму интенсивности возбуждаемых системой трещин колебаний путем изменения частоты в скважине колебаний в пределах от нижней границы диапазона возбуждаемых непрерывных колебаний до верхней границы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сейсмические колебания, излучаемые системой трещин гидроразрыва, регистрируют в скважинах, расположенных в различных направлениях от скважины, пересекающей трещины гидроразрыва, и по кинематическим и динамическим параметрам зарегистрированных сигналов судят о параметрах системы трещин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно одновременно с регистрацией колебаний в соседней скважине регистрируют колебания в точках приема, расположенных в приповерхностной зоне.