СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ В СКВАЖИНЕ ОБЪЕКТОВ, ОТРАЖАЮЩИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СИГНАЛ Российский патент 2019 года по МПК G01V1/44 G01V1/46 E21B43/26 E21B49/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области добычи углеводородов, в частности к автоматическому мониторингу скважинных операций, таких, например, как гидроразрыв пласта (ГРП), как в реальном времени, так и путем последующего анализа данных, основанному на кепстральном анализе данных давления в скважине, записанных на устье скважины.

Осцилляции давления, которые наблюдаются на устье скважины во время гидроразрыва пласта (ГРП) вызванные изменениями потока жидкости (гидроудары), срабатываниями перфораторов, работой гидравлических насосов и другими источниками хорошо известны в нефтегазовой области. Трубные волны, вызванные такими технологическими событиями на скважине, распространяются вдоль ствола скважины с некоторой скоростью и отражаются от границ изменения гидравлических импедансов внутри скважины. Примерами таких границ (изменение импеданса для трубной волны) могут служить: устье скважины, трещина ГРП, изменение внутреннего диаметра в скважине (смена диаметра труб обсадной колонны). Гидравлическим импедансом называется отношения осциллирующего давления к осциллирующему потоку жидкости (Holzhausen & Gooch, 1985).

Возбужденные и отраженные пульсы давления могут быть выделены на записи, полученной с помощью датчика давления, а затем обработаны путем выделения периода, амплитуды и полярности осцилляций; зная скорость распространения трубных волн в скважине, можно получить глубины отражающих границ и соответствующие им гидравлические импедансы. Основы способа определения глубины и геометрии трещины ГРП путем анализа ее гидравлического импеданса заложены в работах (Holzhausen & Gooch, 1985) или описаны в патенте US 4802144. Подробности способа и принятая терминология для кепстрального анализа изложены в разделе уровень техники.

Результаты анализа осцилляций давления в скважине могут быть использованы в ГРП как в режиме реального времени, так и после проведения работы для решения: оценки посадки отклонителя потока жидкости ГРП на входе в трещину; оценки геометрии (ширина и длина) трещины; распознавания события аварийной остановки ГРП, вызванной осаждением проппанта в стволе скважины; диагностики протечек в обсадной колонне (дефект колонны); диагностики нежелательного гидроразрыва пласта; мониторинга верхней точки приема жидкости ГРП для определения глубины продавки проппанта из ствола скважины в трещину ГРП.

Для применения подобного анализа специалист в данной области просматривает запись датчиков давления, чтобы найти и выделить события осцилляций давления, связанные с этими событиями, затем определяет возбужденные и отраженные пульсы и вручную измеряет периоды и амплитуды колебаний. Затем, зная скорость распространения трубных волн в скважине, определяет глубины отражающих границ.

Однако, ручная обработка записи давления реально применима для событий типа гидроударов, где возбужденные и отраженные сигналы являются острыми пульсами давления с хорошо выраженными пиками, но не годится для тех случаев, когда возбужденные и отраженные сигналы являются волнами сложной формы, вызванными, например, колебаниями поршней гидравлических насосов. Другой особенностью ручной обработки данных является ее низкая эффективность, ограничивающая ее использование не только в реальном времени, но и после проведения работ, когда быстро обрабатывают большие объемы данных (особенно если полезный сигнал отягощен шумом от работающих устройств).

Таким образом, существует потребность в методе, который бы автоматически распознавал и обрабатывал события осцилляций давления в скважине с определением реального положения (глубины) объектов-отражателей трубных волн.

В соответствии с настоящим решением раскрыт малозатратный метод мониторинга таких скважинных операций как ГРП. Мониторинг проводят как в реальном времени, так и путем последующего анализа данных. Метод основан на кепстральном анализе записи давления в скважине.

В основе заявленного метода обнаружения и определения положения скважинных объектов (или событий по их размещению) лежит построение кепстрограммы давления, которая является визуальным представлением изменения кепстра во времени. Осцилляции давления с помощью алгоритма выделяются и прослеживаются на кепстрограмме с последующим определением их периодов и полярностей, которые, в свою очередь используются для определения глубин и типов соответствующих им скважинных отражателей (например, элементов заканчивания скважины).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В известном решении US 7100688, «Fracture monitoring using pressure-frequency analysis» предложено использовать изменения, происходящие в стволе скважины в процессе ГРП, которые могут создавать или отражать сигналы давления. Выделение и обработка таких волн давления в процессе ГРП позволяет специалистам проводить мониторинг процессов, происходящих в скважине в реальном времени или после проведения работ. Разрастание трещины ГРП вызывает всплеск акустического шума, который наряду с другими источниками шума превращается в волну давления (или сигнал). Путем трансформации сигналов давления из временной в частотную область, можно проводить мониторинг этого акустического шума. В настоящем раскрытии был использован водопадный график частотного спектра, полученный для следующих друг за другом участков исходного сигнала для определения частотных пиков, таких как пики уменьшения частот, показывающих рост длины трещины и пиков увеличения частот (означающих или закрытие трещины или ее заполнение проппантом). Это решение основано на непрерывном мониторинге спектра сигнала.

В известном решении US 8838427, «Method for determining the closure pressure of a hydraulic fracture» предложен способ, относящийся к области ГРП подземных залежей. В соответствии с этим способом создается математическая модель, описывающая распространение пульса давления внутри скважины и внутри трещины. Пульсы давления отправляются в скважину и регистрируется отклик от трещины. Затем, определяется давление на забое, соответствующее каждому из пульсов. Средняя ширина трещины получается с помощью математического моделирования распространения волны внутри скважины и внутри трещины. Определяется отношение между средней шириной трещины и полученным давлением на забое. Это отношение экстраполируется на точку нулевой ширины, а давление смыкания трещины определяется как давление на забое, соответствующее нулевой ширине.

Однако в настоящем раскрытии осцилляции возбуждаются искусственно (генератор пульсов давления), а не используются естественные осцилляции от работающего оборудования. Выделение осцилляций не раскрыто.

В известном решении US 7313481, «Methods and devices for analyzing and controlling the propagation of waves in a borehole generated by water hammer» предложен способ моделирования волн от гидроударов в стволе скважине используется для оценки параметров, таких как пористость и проницаемость и для разработки элементов заканчивания скважины. Способ моделирования использует модель, включающую несколько слоев, по крайней мере один из которых включает радиальное напластование. Полученные из анализа гидроудара данные используются для разработки месторождения

Однако, в настоящем раскрытии осцилляции возбуждаются искусственно (событие остановки или запуска насоса вызывает событие, известное как «гидроудар»), а не используются естественные осцилляции. Выделение осцилляций не заявлено.

В известном решении US 5170378A, «Hydraulic impedance test method» предложен способ определения высоты и длины трещины в скважине. Он включает возбуждение волн давления в скважине. Импульс давления проходит по стволу скважины и регистрируются отражение импульса давления от основания и от конца трещин ГРП. Эти отражения представлены как флуктуации давления от времени. При этом создается теоретическая модель скважины с трещиной, где гидравлический импеданс является параметром. Подстройка параметра импеданса к модели дает расстояние от основания до конца трещины. Способ зависим от качества построенной одномерной модели импеданса.

СУЩНОСТЬ

В соответствии с настоящим раскрытием предложен способ обнаружения в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, в котором: обеспечивают скважину, заполненную текучей средой, обеспечивающей прохождение гидравлического сигнала; обеспечивают источник гидравлического сигнала, имеющий связь по текучей среде со скважиной, предназначенный для генерирования гидравлического сигнала и датчик давления, предназначенный для регистрации гидравлического сигнала и имеющий связь по текучей среде со скважиной и, по меньшей мере, с одним источником гидравлического сигнала. Осуществляют регистрацию гидравлического сигнала с помощью датчика давления во время выполнения скважинных операций и формируют кепстрограмму давления и выявляют интенсивный сигнал на кепстрограмме давления. Затем обнаруживают в скважине объект, отражающий гидравлический сигнал, на основе пиков выявленного интенсивного сигнала на кепстрограмме давления.

Также, в соответствии с вариантом осуществления определяют скорость распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины путем измерения времени пробега отраженного гидравлического сигнала от, по меньшей мере, одного заданного объекта, находящегося на известной глубине, либо в зависимости от свойств текучей среды, таких как, плотности, модуля упругости, а также от свойств скважины, таких как, модуля Юнга, толщины стенок обсадной колонны, и от свойств окружающей породы, например, модуля сдвига. И затем определяют глубину в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал на основе пиков значений интенсивного сигнала на кепстрограмме давления, задающих контуры времен пробега отраженного гидравлического сигнала. После этого идентифицируют тип объекта, отражающего гидравлический сигнал, по знаку интенсивного сигнала, являющемуся одним из положительного или отрицательного знака.

Также предложена система, предназначенная для реализации вышеуказанных вариантов способа обнаружения в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее варианты осуществления настоящего раскрытия описываются более подробно, посредством чертежей, на которых:

На Фиг.1 представлены отражения исходного сигнала в скважине и сверточная модель.

На Фиг.2 представлен пример сверточного уравнения для импульсного источника с гладким спектром и импульсной характеристики скважины с одной трещиной во временной, частотной и кепстральной областях.

На Фиг.3 представлен пример представления сверточного уравнения для периодического источника с периодическим спектром и импульсной характеристики скважины с одной трещиной во временной, частотной и кепстральной областях.

На Фиг.4 представлен пример кепстрального анализа давления записанного на устье скважины во время установки мостовой пробки ГРП и перфорирования нового интервала.

На Фиг.5 представлен пример кепстрального анализа давления записанного на устье скважины, записанного для двух последовательных стадий повторного ГРП.

На Фиг.6 представлен смоделированный пример мониторинга положения открытой трещины, находящейся на глубине 3756 м при закачивании в скважину текучей среды (суспензии проппанта) с расходом 3,2 м³/мин.

На Фиг.7 представлен смоделированный пример мониторинга положения открытой трещины, находящейся на глубине 3662 м при закачивании в скважину текучей среды (суспензии проппанта) с расходом 3,2 м³/мин.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В соответствии с настоящим раскрытием представлен малозатратный метод мониторинга скважинных операций, таких как ГРП, как в реальном времени, так и путем последующего анализа данных, основанный на кепстральном анализе данных давления в скважине, записанных на ее устье. В частности, способ позволит выявить наличие в скважине объекта, отражающего гидравличиский сигнал, определить глубину, на которой находится объект, отражающий гидравличиский сигнал, а также определить тип объекта, отражающего гидравличиский сигнал.

В соответствии с заявленным способом автоматического метода мониторинга скважинных операций, обеспечивают скважину, в которой проводится скважинная операция, источник трубных волн, возбуждающий исходный сигнал, и датчик, регистрирующий осцилляции давления, содержащие исходный и отраженный сигналы, проводят обработку полученного гидравлического сигнала и формируют кепстрограмму давления, используя которую определяют наличие в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, определяют глубину и его тип.

Исходный сигнал может быть возбужден как при помощи естественных источников импульсов давления возникающих во время проведения ГРП, таких как гидроудары, вызванные изменениями потока жидкости ГРП; срабатываниями перфораторов; осцилляциями поршней гидравлических насосов и другими или так и при помощи искусственно созданных источников импульсов давления, например, путем импульсного стравливания или нагнетания жидкости в скважине.

На Фиг.1 скважина 100 пересекает одну или несколько трещин 101 ГРП в пласте 102, а также имеет устье 103, забой 104, элементы 105 компоновки (заканчивания) с различными внутренними диаметрами или другие объекты, отражающие гидравлический сигнал, которым присущи различные гидравлические импедансы, т.е. отношения осциллирующего давления к осциллирующему потоку жидкости.

Возбужденный с помощью источника 106 гидравлического сигнала вышеуказанным образом исходный сигнал давления распространяется вдоль ствола скважины со скоростью около 1500 м/c и может быть зарегистрирован установленным на скважине датчиком 107 давления - наряду с сигналом, отраженным от границ изменения гидравлических импедансов (отраженный сигнал). Именно отраженный сигнал несет полезную информацию о положении границы отражения.

Данные давления с датчика давления передаются систему 108 сбора и обработки данных, которая обеспечивает визуализацию и сохранение результатов.

По аналогии со сверточной моделью зарегистрированной сейсмической трассы (известной из области сейсморазведки (Yilmaz & Doherty, 2000)), вводится сверточная модель зарегистрированной записи осцилляций давления в скважине , которая может быть представлена в виде математической операции свертки исходного сигнала источника с импульсной характеристикой скважины , как показано на Фиг.2.

(1)

Импульсная характеристика скважины является неизвестным параметром в сверточном уравнении (1). Как правило, она является минимально-фазовой затухающей последовательностью импульсов, положение которых соответствует временам прихода волн отраженным от границ изменения импедансов внутри скважины, а амплитуды обусловлены затуханием волны в скважине и коэффициентами отражения от соответствующих границ. Зная скорость распространения и затухание сигнала вдоль ствола скважины (зависящие от механических свойств жидкости и стенок скважины) и решив сверточное уравнение (1) относительно неизвестной импульсной характеристики скважины , можно определить глубины и природу отражающих границ. В сейсморазведке сверточные уравнения решаются с помощью деконволюции во временной или частотной областях, при этом знания исходного сигнала источника , выделение которого из записи осцилляций давления в скважине является трудоемкой или неосуществимой процедурой.

В соответствии с настоящим раскрытием, предлагается применять кепстральный анализ к сверточному уравнению (1), что позволяет оценить времена прихода волн и знаки амплитудных коэффициентов в импульсной характеристике скважины не прибегая к определению неизвестного исходного сигнала источника .

Теоретические основы кепстрального анализа.

Кепстр - это нелинейный алгоритм обработки цифровых данных, чувствительный к отражениям в сигнале, имеющий широкую область применения: от распознавания взрывов и землетрясений в сейсмологии до распознавания и синтеза речи в обработке звука. Впервые понятие кепстр было введено в работе (Bogert, Healy, & Tukey, 1963). Комплексным кепстром называется применение обратного преобразования Фурье к логарифму от прямого преобразования Фурье исходного сигнала (Oppenheim & Schafer, 1975).

(2)

Название «кепстр» является анаграммой от слова «спектр». Независимая переменная имеет размерность времени и по аналогии, с частотой спектра называется «сачтота», а магнитуда кепстра называется «гамнитуда» (Bogert, Healy, & Tukey, 1963)

Представим уравнение (1) в частотной области. По теореме о свертке, оно перепишется в виде произведения:

(3)

Здесь , и - это Фурье-образы записи осцилляций давления в скважине , исходного сигнала источника и импульсной характеристики скважины соответственно.

Подставив произведение из уравнения (3) в выражение для комплексного кепстра (2) и используя то, что логарифм произведения равен сумме логарифмов, получим представление сверточного уравнения в кепстральной области:

.

Это означает, что в кепстральной области комплексный кепстр записи осцилляций давления в скважине в является суммой комплексного кепстра: исходного сигнала источника с комплексным импульсной характеритикой скважины :

(5)

Ниже приводится анализ вида уравнения (5), на примере наиболее распространенных источников сигнала в скважине: импульсных (гидроудары) и периодических (вызванных оцилляциями поршней насосов).

Согласно (Tribolet & Oppenheim, 1977), если функция является минимально-фазовой последовательностью импульсов в моменты времени , то ее комплексный кепстр равен нулю при значених сачтоты . Более того, комплексный кепстр равен нулю всюду, кроме и их положительных линейных комбинаций. Согласно (Stoffa, Buhl, & Bryan, 1974) значения комплексного кепстра в этих точках будут того же знака, что и амплитуды соответствующих импульсов функции . В частности, например, отражение от трещины (гидравлический импеданс ниже чем гидравлический импеданс ствола скважины) проявятся в виде отрицательного импульса на комплексном кепстре . Например, отражение от забоя скважины, гидравлический импеданс которого выше, чем гидравлический импеданс скважины, проявятся в виде положительного импульса на комплексном кепстре .

Если сигнал источника вызван гидроударом или срабатыванием перфоратора, то он будет иметь форму импульса и обладать гладким спектром . Тогда согласно (Tribolet & Oppenheim, 1977) ненулевые значения комплексного кепстра сигнала источника локализованы в районе малых значений сачтоты, то есть комплексный кепстр при значениях сачтоты не превышающих некоторый порог .

Пример представления сверточного уравнения для импульсного источника с гладким спектром и импульсной характеристики скважины с одной трещиной во временной, частотной и кепстральной областях приведен на Фиг.3Error!Referencesourcenotfound. Коэффициент отражения трубных волн от трещины отрицателен, что приводит к знакопеременному виду импульсной харакеристики скважины . В соответствии с вышеприведенными свойствами, положение первого импульса комплексного кепстра импульсной харакеристики скважины соотвествует ее периоду во временной области, а его знак - знаку коэффициента отражения от трещины. Таким образом, зная скорость трубных волн в скважине из комплексного кепстра импульсной харакеристики скважины можно получить глубину и тип отражающей границы. При этом комплексный кепстр импульсной харакеристики скважины получается путем обнуления записи осцилляций давления в кепстральной области: , для .

Если сигнал источника вызван осцилляциями поршней гидравлического насоса на поверхности, то его упрощенно можно представить в виде бесконечной суммы сигналов, вызванных единичным ходом поршня , отстоящих друг от друга на период хода поршня . Математически это записывается в виде свертки сигнала единичного хода поршня с бесконечной последовательностью равноудаленных единичных импульсов:

(6)

Воспользовавшись тем, что свертка во временной области становится суммой в кепстральной области, а также выражением для комплексного кепстра бесконечной последовательности равноудаленных импульсов (Stoffa, Buhl, & Bryan, 1974) получим выражение для комплексного кепстра периодического источника:

(7)

Комплексный кепстр от периодического источника является суммой комплексного кепстра сигнала единичного хода поршня , который также локализован в районе малых значений сачтоты и затухающей последовательности импульсов, также отстоящих друг от друга на период хода поршня .

Пример представления сверточного уравнения для периодического источника и импульсной характеристики скважины, имеющей одну трещину, приведен на Фиг.3Error!Referencesourcenotfound. в виде временной, частотной и кепстральной диаграммы. Комплексный кепстр импульсной характеристики скважины хорошо выделяется как на фоне локализованного в районе малых значений сачтоты комплексного кепстра единичного хода поршня , так и на фоне затухающей последовательности импульсов из второго слагаемого комплексного кепстра источника , имеющей регулярный характер. Аналогично вышеописанному примеру с импульсным источником, зная скорость трубных волн в скважине из комплексного кепстра импульсной харакеристики скважины можно определить глубину и тип объекта, отражающего гидравлический сигнал. В частности положительный знак интенсивного сигнала соответствует типу объекта, отражающего гидравлический сигнал, с большим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины, и представляющему собой по меньшей мере один объект, выбранный из группы, содержащей: дно скважины (забой), изолирующее устройство для обсаженной скважины, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в меньшую сторону, скопление проппанта в стволе скважины. В тоже время, отрицательный знак интенсивного сигнала соответствует типу объекта, отражающего гидравлический сигнал, с меньшим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины, и представляющему собой по меньшей мере один объект, выбранный из группы, содержащей: трещину гидроразрыва пласта (ГРП) в обсаженной скважине, трещину ГРП в не обсаженной скважине, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в большую сторону, дефект колонны.

Эти теоретические примеры показывают, что отраженные сигналы легко выделяются в кепстральной области и позволят определить как глубину так и тип объекта, отражающего гидравлический сигнал. В реальности, сигналы имеют более сложный вид, чем в вышеприведенных примерах и могут быть отягощены шумом. Для выделения отраженных сигналов в реальных данных вместо комплексного кепстра целесообразнее использовать, так называемый, реальный кепстр. Представив Фурье образ сигнала в экспоненциальном виде и подставив его в выражение для комплексного кепстра (2), получим его представление в виде суммы двух слагаемых:

(8)

Первое слагаемое в выражении (8) представляет собой обратное преобразование Фурье от амплитудной составляющей спектра и называется реальным кепстром, а второе слагаемое называется фазовым кепстром. Именно реальный кепстр, в отличие от комплексного кепстра, не содержащий информации о фазе сигнала обладает наибольшей чувствительностью к отражениям в сигнале. Также чувствительным к отражениям в сигнале будет энергетический кепстр, получаемый из реального возведением его в квадрат.

В соответствии с настоящим раскрытием, строится кепстрограмма сигнала давления, которая является визуальным представлением изменения кепстра во времени. При необходимости, перед построением кепстрограммы из исходного сигнала убирается трендовая составляющая. Для построения кепстрограммы сигнал давления разбивается на части, которые обычно перекрываются. Затем рассчитывается кепстр для каждой из этих частей в интервале сачтот, который соответствует ожидаемой импульсной характеристики скважины: . Каждая часть соответствует вертикальной линии на изображении - значение гамнитуды кепстра в зависимости от сачтоты в каждый момент времени. Время откладывается на горизонтальной оси кепстрограммы.

При необходимости, для повышения соотношения сигнал/шум к кепстрограмме может быть применена фильтрация с помощью скользящего среднего вдоль временной оси.

Согласно вышеописанным свойствам комплексного кепстра для импульсной характеристики скважины , осцилляции давления, вызванные отражениями трубных волн от объектов с гидравлическим импедансом ниже, чем в скважине, таких как трещины ГРП, проявляются в отрицательных значениях гамнитуды на кепстрограмме на соответствующих значениях сачтот.

По аналогии, осцилляции давления вызванные отраженным сигналом от объектов с гидравлическим импедансом выше, чем в скважине (забой скважины), проявляются как положительные значения гамнитуды на кепстрограмме на соответствующих значениях сачтот.

В соответствии с настоящим раскрытием, осцилляции давления детектируются, когда абсолютное значения гамнитуды положительных или отрицательных пиков на кепстрограмме превышает заданное пользователем пороговое значение.

Контуры времен пробега волн , отраженных от границы в скважине определяются путем прослеживания максимальных значений положительных или минимальных значений отрицательных пиков на кепстрограмме, превышающих заданное пользователем пороговое значение. Положения контуров во времени определяют временные интервалы осцилляций давления в скважине. Если нам заранее известна скорость пробега трубных волн (гидравлического сигнала) в стволе скважине , то глубина отражающей границы в скважине определяется как:

(9)

Обычно скорость трубных волн в скважине может быть или оценена на основе свойств жидкости, заполняющей скважину, таких как: плотность и модуль упругости и элементов компоновки скважины, таких как модуль Юнга обсадной колонны и модуль сдвига окружающей породы (Holzhausen & Gooch, 1985), US5081613, или определена путем калибровки по временам пробега волн для четких пульсов давления, отраженных от объектов (это могут быть элементы компоновки скважины) с известной глубиной.

В частности, для определения скорости трубной волны в скважине можно использовать следующее выражение:

где: E - модуль Юнга обсадной колоны, K - модуль упругости текучей среды, - плотность текучей среды, d - внутренний диаметр обсадной колонны, e - толщина стенки колонны, , где G - это модуль сдвига окружающей породы.

ПРИМЕРЫ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ПРИМЕР 1.

Смоделированный пример мониторинга положения открытой трещины, заданной на глубине 3765 м при закачивании в скважину текучей среды с расходом 3,2 м³/мин с последующей остановкой насосов представлен на Фиг.6. Данный пример получен с помощью программного обеспечения по моделированию трубных волн в скважине. В данном примере, скорость распространения гидравлического сигнала по стволу скважины составляла 1350 м/сек.

Верхний график представляет записи первичного (необработанного) сигнала давления (измеренного в атм) и расхода жидкости как функции времени (с). Сигнал давления на временном интервале от 0 до 400 с содержит сигнал, вызванный осцилляциями поршней работающих гидравлических насосов (уровень сигнала не показан), а на интервале от 400 до 500 с осцилляции давления вызванные гидроударом после остановки насосов.

Нижний график представляет кепстрограмму, построенную для синтетического сигнала давления из верхнего графика. Шкала времени кепстрограммы, отложенная на горизонтальной оси соответствует шкале первичного сигнала давления. А параметру сачтоте, отложенной на вертикальной оси слева, соответствует шкала глубин отраженного сигнала (построенная с учетом скорости распространения сигнала на вертикальной оси справа). Белая линия на кепстрограмме обозначает контур времен пробега сигнала, соответствующий интенсивному отрицательному сигналу на кепстрограмме. Видно, что положение контуров времен пробега сигналов, вызванных различными видами источников гидравлического сигнала (осцилляции поршней насосов или гидроудар при остановке насоса) равно (заданной) глубине трещины, обозначенной на схеме скважины (справа).

ПРИМЕР 2

Другой пример мониторинга положения открытой трещины, заданной, в этот раз, на глубине 3662 м при закачивании в скважину текучей среды с расходом 3,2 м³/мин с последующей остановкой насосов представлен на Фиг.7. Видно, что при изменении глубины трещины, контур времен пробега сигнала, соответствующий интенсивному сигналу на кепстрограмме также соответствует новой глубине трещины.

Из примеров 1 и 2 видно, что и осцилляции поршней насоса и гидроудар могут служить информативными источником сигнала для записи кривой давления (и получения информативной кепстрограммы).

В приведенных примерах понятие источника гидравлического сигнала означает, что источник помещен либо в скважину, либо на устье скважины в прямом контакте со стволом скважины - то есть в любой конфигурации, обеспечивающей прохождение гидроимпульса от источника давления в ствол скважины, заполненной текучей средой. Таким образом, поверхностные насосы (подсоединены к манифольду на устье скважины) являются в настоящем раскрытии источником гидравлического сигнала

ПРИМЕР 3

На Фиг.4 представлен пример реальной работы на скважине с обработкой гидравлического сигнала. Показан кепстральный анализ давления, записанного на устье скважины во время установки мостовой пробки ГРП и перфорирования нового интервала. Четкие положительные пики в верхней части и отрицательные пики в нижней части обозначены темными и светлыми линиями соответственно. Кружки обозначают глубины отражений, измеренные «вручную». Темная горизонтальная линия обозначает глубину уменьшения внутреннего диаметра трубы в скважине, а белые линии соответствуют глубинам перфорационных отверстий.

Запись давления содержит гидроудар, вызванный остановкой насосов после закачивания перфораторов в горизонтальную секцию скважины с последующими осцилляциями давления (вызванными установкой мостовой пробки и срабатываниями перфораторов). Кепстрограмма содержит четкие положительные пики в верхней части и отрицательные пики в нижней части. Периоды осцилляций, измеренные вручную для отражений такого же знака (обозначенные темными кружками) совпадают с положительными пиками, а периоды осцилляций (измеренные вручную для отражений противоположного знака - светлые символы) совпадают с отрицательными пиками на кепстрограмме. Сопоставление глубин положительных пиков с глубиной положения резкого уменьшения внутреннего диаметра трубы в скважине позволяет определить скорость распространения трубных волн в чистой жидкости м/c. При этом отрицательные пики позволяют проследить моменты движения перфоратора снизу вверх по мере перфорирования интервала пласта.

ПРИМЕР 4

Еще один пример записи реальной работы и обработки сигнала иллюстрирует применение кепстрального анализа для подтверждения срабатывания отклонителя потока в скважине для повторного ГРП, в котором ранее простимулированная эксплуатируемая скважина обрабатывается повторно для увеличения дебета. Отклонитель потока в виде суспензии кольматирующих частиц закачивают в скважину для изоляции выбранных зон утечки жидкости.

Пример кепстрального анализа давления записанного на устье скважины, выполненного для двух последовательных стадий повторного ГРП изображен на Error!Referencesourcenotfound.Фиг.5а (для первой стадии работы) и на Фиг.5б (для второй стадии работы). Белые горизонтальные линии показывают глубины расположения портов ГРП. Отрицательные значения гамнитуд кепстрограмм по времени соответствуют осцилляциям давления, вызванным закачкой проппанта и гидроударам после остановки насосов. Сравнение двух кепстрограмм подтверждает срабатывание отклонителя (один из портов в трубной сборке изолирован).

Скорость трубных волн в чистой жидкости, определенная путем калибровки составила м/с. Калибровка производилась путем измерения времени пробега отраженного от забоя скважины одиночного пульса, возбужденного в «тихой» (без шумов) скважине.

Сравнение отрицательных значений гамнитуд кепстрограмм, соответствующих гидроударам (вызванным остановками насосов) подтверждают перенаправление жидкости и стимуляцию нового интервала: после закачки первой стадии точка отражения трубных волн была напротив порта ГРП № 4, а после закачки второй стадии точка отражения сигнала сместилась вверх к порту ГРП №5. Также обе кепстрограммы показывают отражение от трещины, вызванной осцилляциями поршней насосов во время закачки проппанта. На кепстрограмме также можно увидеть, что кажущаяся глубина отражения от объекта увеличивается по мере увеличения концентрации проппанта в жидкости ГРП. Последнее связано с уменьшением скорости распространения трубных волн, в частности, зависящей от плотности жидкости (суспензии проппанта) в скважине.

Результаты анализа осцилляций давления в скважине могут быть использованы в ГРП как для оптимизации стимуляции в режиме реального времени, так и для оценки продуктивности стимуляции после проведения работы для решения: оценки срабатывания отклонителя потока жидкости ГРП (кольматирующая пробка для изоляции отверстий в трубе); оценки геометрии трещины; распознавания аварийной остановки ГРП, вызванной осаждением проппанта в стволе скважины; мониторинга операций, проводимых с помощью гибких насосно-компрессорных труб (ГНКТ) или приборов геофизического исследования скважин (ГИС); диагностики протечек в обсадной колонне; диагностики нежелательного ГРП, а также для подтверждения деградации мостовых пробок в скважине, изготовленных из деградируемого материала.

Предложен малозатратный метод мониторинга скважинных операций, как в реальном времени, так и путем последующего анализа данных, основанный на кепстральном анализе данных давления в скважине, записанных на устье стважины. В основе заявленного метода лежит построение кепстрограммы сигнала давления, которая является визуальным представлением изменения кепстра во времени.

Осцилляции давления в скважине в рамках кепстрального анализа легко выделяются и прослеживаются на кепстрограмме с последующим определением их периодов и полярностей. Эти параметры используются для обнаружения скважинных отражателей (объектов), для определения глубин скважинных отражателей во время проведения скважинных операций, и их особенностей по знаку интенсивного сигнала на кепстрограмме.

Источником гидравлического сигнала, испытывающего отражение от компонентов заканчивания скважины, может быть широкий круг устройств и процессов: гидроудар при остановке насоса, шум работающих насосов (периодические осцилляции давления, вызванные движением поршней насоса), импульсы давления от скважинных генераторов импульса.

Это позволяет проводить запись и обработку сигнала без введения дополнительного оборудования, и позволяет использовать источники сигнала, которые ранее не использовались при определении положения объекта, отражающего гидравлический сигнал, например, можно использовать не только сигналы, вызванные импульсными источниками (гидроударами), а также с помощью настоящего раскрытия можно обработать сигналы, вызванные периодическими источниками (шумами насосов), не поддающиеся обработке вручную. Кроме того, использование в качестве сигнала шумов насосов (как поверхностных, так и подземных) позволит организовать непрерывный мониторинг скважины, что невозможно осуществить с помощью использования импульсных источников сигнала.

Настоящее раскрытие позволяет выявлять и обрабатывать события осцилляции давления, в результате чего сокращается время обработки и повышается точность по сравнению с обработкой событий вручную.

Настоящее раскрытие может быть воплощено с использованием стандартного датчика давления, помещенного в устье скважины, устройства сбора данных и компьютерной системы для обработки и визуализации данных с обработкой сигнала по кепстральному алгоритму.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее раскрытие может быть осуществлено в различных конфигурациях компьютерных систем, включая портативные устройства, мультипроцессорные системы, основанную на микропроцессорах или программируемую бытовую электронную аппаратуру, миникомпьютеры, большие компьютеры и тому подобное. Любое число сетей компьютерных систем и компьютеров допустимо для использования с настоящим раскрытием. Настоящее раскрытие может быть осуществлено в среде распределенных вычислений, где задания выполняются устройствами дистанционной обработки, связанными по сети связи. В среде распределенных вычислений программные модули могут быть расположены как в локальных, так и в дистанционных запоминающих носителях. Следовательно, настоящее раскрытие может быть осуществлено в соединении с различными техническими средствами, программным обеспечением или их комбинации в компьютерной системе или другой системе обработки.

Системы осуществления настоящего раскрытия может быть реализована на компьютере. Система включает в себя вычислительный элемент, иногда называемый вычислительной системой, которая содержит устройство памяти, прикладные программы, интерфейс клиента, видеоинтерфейс и элемент обработки. Вычислительный элемент приведен для примера подходящей вычислительной среды и не ограничивает объем применения или функциональность настоящего раскрытия.

Устройство памяти хранит прикладные программы, которые также могут быть описаны как программные модули, содержащие машиновыполняемые инструкции, выполняемые вычислительным элементом для осуществления настоящего раскрытия, описанного в настоящем документе.

Настоящее раскрытие может быть осуществлено в машиновыполняемой программе инструкций, такой как программные модули, называемые программными приложениями или прикладными программами, выполняемыми компьютером. Программное обеспечение может включать в себя, например, стандартные функции, программы, объекты, компоненты и структуры данных, которые выполняют конкретные задания или осуществляют конкретные абстрактные типы данных. Программное обеспечение формирует интерфейс, что позволяет компьютеру реагировать в соответствии с источником ввода. Программное обеспечение может также кооперировать с другими сегментами кода для инициации различных заданий в ответ на данные, принятые совместно с источником принятых данных. Программное обеспечение может храниться и/или переноситься на любом устройстве памяти, таком как CD-ROM, магнитный диск, запоминающее устройство на цилиндрических магнитных доменах и запоминающее устройство на полупроводниках (например, различные виды RAM или ROM). Дополнительно, программное обеспечение и его результаты могут передаваться по любому из множества носителей, таких как оптическое волокно, металлический провод и/или по любому из множества сетей, таких как интернет.

Вычислительный элемент обладает универсальным устройством памяти, вычислительный элемент обычно включает в себя различные машиночитаемые носители. В качестве не ограничивающего примера, машиночитаемый носитель может содержать запоминающий носитель. Устройство памяти вычислительной системы может включать в себя запоминающий носитель в форме энергозависимого и/или энергонезависимого запоминающего устройства, такого как постоянное запоминающее устройство (ROM) и оперативное запоминающее устройство (RAM). Базовая система (BIOS) ввода-вывода, содержащая стандартные программы, которые помогают передавать информацию между элементами внутри вычислительного элемента, например, во время начала работы, обычно хранится в ROM. RAM обычно содержит данные и/или программные модули, которые оперативно доступны и/или выполняются в настоящее время на элементе обработки. В качестве не ограничивающего примера, вычислительный элемент включает в себя операционную систему, прикладные программы, другие программные модули и программные данные.

Компоненты, изображенные в устройстве памяти, могут быть также включены в другие съемные/несъемные, энергозависимые/энергонезависимые запоминающие носители, либо они могут быть осуществлены в вычислительном элементе посредством интерфейса (ʺAPIʺ) прикладной программы, который может находиться на отдельном вычислительном элементе, соединенном через компьютерную систему или сеть. Например, накопитель на жестких дисках может читать или записывать на несъемный, энергонезависимый магнитный носитель; накопитель на магнитных дисках может читать или записывать на съемный, энергонезависимый магнитный диск; и накопитель на оптических дисках может читать или записывать на съемный, энергонезависимый оптический диск, такой как CD ROM или другой оптический носитель. Другие съемные/несъемные, энергозависимые/энергонезависимые запоминающие носители, которые могут быть использованы в типичной операционной среде, могут включать в себя, но не ограничиваясь, кассеты с магнитной лентой, карты флэш-памяти, универсальные цифровые диски, цифровую магнитную ленту, полупроводниковый RAM, полупроводниковый RОM, и тому подобное. Накопители и их связанные запоминающие носители, описанные выше, обеспечивают хранение машиновыполняемых инструкций, структур данных, программных модулей и других данных для вычислительного элемента.

Клиент может вводить команды и информацию в вычислительный элемент через интерфейс клиента, который может быть устройством ввода, таким как клавиатура или указательное устройство, обычно называемое мышью, шаровой манипулятор управления или сенсорная панель. Устройства ввода могут включать в себя микрофон, джойстик, спутниковую антенну, сканер и тому подобное. Эти и другие устройства ввода часто соединены с элементом обработки через системную шину, но также могут быть соединены с помощью других структур интерфейса и шины, таких как параллельный порт или универсальная последовательная шина (USB).

Монитор или другой тип устройства вывода могут быть соединены с системной шиной посредством интерфейса, такого как видеоинтерфейс. Графический интерфейс (ʺGUIʺ) пользователя может также быть использован с видеоинтерфейсом для приема инструкций от интерфейса клиента и передачи инструкций на элемент обработки. Дополнительно к монитору, компьютеры могут также включать в себя другие периферические устройства вывода, такие как динамики и принтер, которые могут быть соединены через периферический интерфейс вывода.

Хотя многие другие компоненты вычислительного элемента не изображены, специалистам в данной области техники будет понятно, что такие компоненты и их взаимосвязь хорошо известны.

Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний настоящего раскрытия. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанные выше методику и, без отхода от принципов раскрытия, заявленного в формуле.

Изобретение относится к области добычи углеводородов, в частности к автоматическому мониторингу скважинных операций. Техническим результатом является повышение точности определения реального положения объеков-отражателей трубных волн. Способ включает обнаружение в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, в котором: обеспечивают скважину, заполненную текучей средой, обеспечивающей прохождение гидравлического сигнала; обеспечивают источник гидравлического сигнала, имеющий связь по текучей среде со скважиной, предназначенный для генерирования гидравлического сигнала, и датчик давления, предназначенный для регистрации гидравлического сигнала и имеющий связь по текучей среде со скважиной и, по меньшей мере, с одним источником гидравлического сигнала. Осуществляют регистрацию гидравлического сигнала с помощью датчика давления и формируют кепстрограмму давления, выявляя интенсивный сигнал на кепстрограмме давления. Затем обнаруживают в скважине объект, отражающий гидравлический сигнал. Предложена система для построения кепстрограммы и обнаружения скважинного объекта. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обнаружения в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, в котором:

(а) обеспечивают скважину, заполненную текучей средой, обеспечивающей прохождение гидравлического сигнала;

(b) обеспечивают, по меньшей мере, один источник гидравлического сигнала, имеющий связь по текучей среде со скважиной, предназначенный для генерирования гидравлического сигнала;

(c) обеспечивают, по меньшей мере, один датчик давления, предназначенный для регистрации гидравлического сигнала и имеющий связь по текучей среде со скважиной и, по меньшей мере, с одним источником гидравлического сигнала;

(d) регистрируют гидравлический сигнал с помощью, по меньшей мере, одного датчика давления во время выполнения скважинных операций;

(e) формируют кепстрограмму давления и выявляют интенсивный сигнал на кепстрограмме давления; и

(f) обнаруживают в скважине, по меньшей мере, один объект, отражающий гидравлический сигнал, на основе пиков выявленного интенсивного сигнала на кепстрограмме давления.

2. Способ по п.1, в котором источником гидравлического сигнала является, по меньшей мере один, выбранный из группы, содержащей: гидроудар при остановке или запуске поверхностного насоса, шум от погружного насоса, шум от работающего поверхностного насоса, событие проведения перфорации в обсаженной колонне, генерация импульса давления с помощью импульсного источника.

3. Способ по п.1, в котором регистрацию гидравлического сигнала проводят с помощью, по меньшей мере, одного датчика давления, размещенного на устье скважины или в стволе скважины.

4. Способ по п.1, в котором кепстрограмму давления формируют обработкой зарегистрированного гидравлического сигнала в координатах сачтота-время.

5. Способ по п. 2, в котором обработку зарегистрированного гидравлического сигнала проводят посредством разбиения гидравлического сигнала на временные интервалы, для каждого из которых рассчитывают кепстр сигнала, который отображается в виде вертикальной линии на кепстрограмме давлении.

6. Способ по п.1, в котором выявляют интенсивный сигнал на кепстрограмме давления по абсолютному значению гидравлического сигнала, превышающему заданное пороговое значение.

7. Способ по п.1, в котором дополнительно предварительно определяют скорость распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины путем измерения времени пробега отраженного гидравлического сигнала от, по меньшей мере, одного заданного объекта, находящегося на известной глубине, либо в зависимости от свойств текучей среды, таких как плотность, модуль упругости, а также от свойств скважины, таких как модуль Юнга, толщина стенок обсадной колонны, и от свойств окружающей породы, например модуля сдвига.

8. Способ по п.7, в котором скорость распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины используют для определения глубины в скважине, по меньшей мере, одного объекта, отражающего гидравлический сигнал на основе пиков значений интенсивного сигнала на кепстрограмме давления, задающих контуры времен пробега отраженного гидравлического сигнала.

9. Способ по п. 1, в котором положительный знак интенсивного сигнала кепстрограммы давления соответствует объекту, отражающему гидравлический сигнал с большим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины и представляющему собой, по меньшей мере, один объект, выбранный из группы, содержащей: дно скважины (забой), изолирующее устройство для обсаженной скважины, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в меньшую сторону, скопление проппанта в стволе скважины.

10. Способ по п. 1, в котором отрицательный знак интенсивного сигнала кепстрограммы давления соответствует объекту, отражающему гидравлический сигнал с меньшим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины и представляющему собой, по меньшей мере один объект, выбранный из группы, содержащей: трещину гидроразрыва пласта (ГРП) в обсаженной скважине, трещину ГРП в необсаженной скважине, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в большую сторону, дефект колонны.

11. Способ по любому из пунктов 1-10, в котором дополнительно выполняют предварительную обработку гидравлического сигнала в случае наличия трендовой составляющей и/или высокочастотной помехи в зарегистрированном гидравлическом сигнале путем их удаления.

12. Способ по п.11, в котором удаление трендовой составляющей осуществляют путем вычисления производной от гидравлического сигнала, зарегистрированного датчиком давления, по времени.

13. Способ по п.11, в котором удаление трендовой составляющей осуществляют путем ее вычитания из значений от гидравлического сигнала, зарегистрированного датчиком давления.

14. Способ по п. 11, в котором наличие трендовой составляющей определяют, применяя низкочастотный фильтр к значениям гидравлического сигнала, зарегистрированным датчиком давления.

15. Способ по п.11, в котором высокочастотные помехи удаляют, применяя низкочастотный фильтр к значениям гидравлического сигнала, зарегистрированным датчиком давления.

16. Система для обнаружения в скважине объекта, отражающего гидравлический сигнал, содержащая:

(а) скважину, заполненную текучей средой, обеспечивающей прохождение гидравлического сигнала;

b) по меньшей мере, один источник гидравлического сигнала, имеющий связь по текучей среде со скважиной, предназначенный для генерирования гидравлического сигнала;

(c) по меньшей мере, один датчик давления, предназначенный для регистрации гидравлического сигнала и имеющий связь по текучей среде со скважиной и, по меньшей мере, с одним источником гидравлического сигнала,

(d) систему обработки, выполненную с возможностью:

приема и обработки данных, полученных, по меньшей мере, одним датчиком давления во время выполнения скважинных операций для регистрации гидравлического сигнала;

формирования кепстрограммы давления и выявления интенсивного сигнала на кепстрограмме давления;

обнаружения в скважине, по меньшей мере, одного объекта, отражающего гидравлический сигнал, на основе пиков выявленного интенсивного сигнала на кепстрограмме давления.

17. Система по п.16, в которой источником гидравлического сигнала является, по меньшей мере один, выбранный из группы, содержащей: гидроудар при остановке или запуске поверхностного насоса, шум от погружного насоса, шум от работающего поверхностного насоса, событие проведения перфорации в обсаженной колонне, генерация импульса давления с помощью импульсного источника.

18. Система по п.16, в которой датчик давления, размещен на устье скважины или в стволе скважины.

19. Система по п.16, в которой система обработки выполнена с возможностью формирования кепстрограммы давления обработкой зарегистрированного гидравлического сигнала в координатах сачтота-время.

20. Система по п.19, в которой система обработки выполнена с возможностью обработки зарегистрированного гидравлического сигнала посредством разбиения гидравлического сигнала на временные интервалы, для каждого из которых рассчитывают кепстр сигнала, который отображают в виде вертикальной линии на кепстрограмме давлении.

21. Система по п.16, в которой система обработки выполнена с возможностью выявления интенсивного сигнала на кепстрограмме давления по абсолютному значению гидравлического сигнала, превышающему заданное пороговое значение.

22. Система по п.16, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью предварительного определения скорости распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины путем обработки измеренного времени пробега отраженного гидравлического сигнала от, по меньшей мере, одного заданного объекта, находящегося на известной глубине, либо в зависимости от свойств текучей среды, таких как плотность, модуль упругости, а также от свойств скважины, таких как модуль Юнга, толщина стенок обсадной колонны, и от свойств окружающей породы, например модуля сдвига.

23. Система по п.22, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью использования скорости распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины при формировании кепстрограммы давления в координатах глубина-время.

24. Система по п.22, которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью использования скорости распространения гидравлического сигнала в текучей среде в стволе скважины для определения глубины в скважине, по меньшей мере, одного объекта, отражающего гидравлический сигнал на основе пиков интенсивного сигнала на кепстрограмме давления, задающих контуры времен пробега отраженного гидравлического сигнала.

25. Система по п.22, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью идентификации, по меньшей мере, одного объекта, отражающего гидравлический сигнал, и отличающегося по знаку интенсивного сигнала.

26. Система по п.25, в которой положительный знак интенсивного сигнала соответствует объекту, отражающему гидравлический сигнал с большим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины и представляющему собой, по меньшей мере, один объект, выбранный из группы, содержащей: дно скважины (забой), изолирующее устройство для обсаженной скважины, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в меньшую сторону, скопление проппанта в стволе скважины.

27. Система по п.25, в которой отрицательный знак интенсивного сигнала соответствует объекту, отражающему гидравлический сигнал с меньшим гидравлическим импедансом по сравнению с гидравлическим импедансом ствола скважины и представляющему собой, по меньшей мере, один объект, выбранный из группы, содержащей: трещину гидроразрыва пласта (ГРП) в обсаженной скважине, трещину ГРП в необсаженной скважине, позицию изменения диаметра труб в обсадной колонне в большую сторону, дефект колонны.

28. Система по любому из пунктов 16-27, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью выполнения предварительной обработки гидравлического сигнала в случае наличия трендовой составляющей и/или высокочастотной помехи в зарегистрированном гидравлическом сигнале путем их удаления.

29. Система по п.28, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью удаления трендовой составляющей путем вычисления производной от гидравлического сигнала, зарегистрированного датчиком давления, по времени.

30. Система по п.28, в котором система обработки дополнительно выполнена с возможностью удаления трендовой составляющей осуществляют путем ее вычитания из значений от гидравлического сигнала, зарегистрированного датчиком давления.

31. Система по п.28, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью определения наличия трендовой составляющей, применяя низкочастотный фильтр к значениям гидравлического сигнала, зарегистрированным датчиком давления.

32. Система по п.28, в которой система обработки дополнительно выполнена с возможностью удаления высокочастотных помех, применяя низкочастотный фильтр к значениям гидравлического сигнала, зарегистрированным датчиком давления.