用于具有实时调节的多层水力压裂处理的方法

背景技术

水力压裂是通过在高于地层破裂压力的压力下注入流体在含烃地层内产生裂缝来进行井增产的方法。与流体一起，支撑剂也被放置在裂缝中，以防止在增产处理结束时压力释放时裂缝闭合。处理完成并且井投产后，烃通过产生的裂缝从地层流入井眼。压裂的主要目的是提高井产能。

非常规资源，例如页岩气或页岩油，通常需要在水平井中进行大规模的多级压裂处理。这种压裂技术允许最大化井眼覆盖和储层接触。压裂工作可以基于储层数据、支撑剂、要泵送的酸量、井的目标生产力指数等来设计。然而，储层特征的不确定性会给设计和执行有效的水力压裂工作以最大化从给定储层可采的烃总量带来困难。

发明内容

提供该概述以介绍在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。本概述无意确定要求保护的主题的关键或基本特征，也无意用作限制要求保护的主题的范围的辅助。

一方面，本文公开的实施例涉及用于处理地下地层的方法，其包括：(1)选择用于多层水力压裂处理的井眼，创建用于多层水力压裂处理的初始工作设计，设置一个或多个压裂工作准则，并基于初始工作设计生成井眼内管波传播模型；(2)启动部分的初始工作设计；(3)在井眼内产生一个或多个管波，监测该一个或多个管波的一次或多次反射，利用管波传播模型计算出一定数量的裂缝和裂缝几何参数；(4)通过以下方式对裂缝几何参数进行实时评估：估计到一定数量的开放裂缝的一个或多个泵送流量；并使用多层压裂模拟器针对该一定数量开放裂缝模拟压裂过程；(5)调节多层压裂模拟器，直到来自阶段(3)的一定数量的开放裂缝、一个或多个泵送流量和裂缝几何参数与来自阶段(4)的裂缝几何参数的实时评估一致，以生成调节后的水力压裂模拟器；(6)使用调节后的水力压裂模拟器计算裂缝几何参数以生成测量(在线监控)工作设计。然后我们(7)计算初始工作设计与实测工作设计之间的差异；以及(8)执行以下其中一项：验证与阶段(7)的差异低于一个或多个压裂工作标准的指定方差(variance)，并继续初始工作设计；或更新初始工作设计并重复阶段(6)和(7)，直到与阶段(7)的差异低于一个或多个压裂工作标准的指方差，并继续更新初始工作设计；和(9)重复步骤(3)至(8)，直至多层水力压裂处理完成。这允许在不停止压裂工作的情况下，在实现关键工作标准的情况下迅速改变工作设计。

所要求保护的主题的其他方面和优点将从以下描述和所附权利要求中显而易见。

附图说明

图1是示出根据本公开的实施例的压裂处理的流程图；

图2是示出根据本公开的实施例通过管波传播检测井眼中的裂缝的图；

图3是示出根据本公开的实施例的管波压力振荡的去卷积的图形表示；

图4是示出根据本公开的实施例的用于估计分裂成一组开放裂缝的泵送流量的理论框架的图；

图5是示出用于执行根据本公开的方法的计算机系统的示例的示意图；

图6是根据本公开的实施例的压裂工作的实时修改的图形表示；

图7是根据本公开的实施例的压裂工作的实时修改的图形表示。

具体实施方式

一方面，本文公开的实施例涉及设计和执行水力压裂处理的方法，该方法通过流量分裂模拟器和多层压裂(MLF)模拟器的组合利用管波分析来优化处理设计参数。如本文所用，“管波”是周期性压力扰动，其中交替压缩和稀疏通过介质表面或在介质表面上传播而材料没有平移；也称为压力波或斯通利波。在一个或多个实施例中，方法可以涉及实时监测、控制、评估和改进水力压裂处理。在一些实施例中，方法还可以包括执行一个或多个修复动作以实时修改工作设计。

随着建模、软件和硬件能力的发展，在工作之前和实时优化设计的能力变得更加可行。一种具有成本效益的压裂处理方法是多层压裂，它允许在一级泵送期间产生多个裂缝。压裂处理的设计可能包括实施多层压裂模拟器以实时模拟多个裂缝，这也可能包括用于建模裂缝之间流量分裂的算法。然而，这样的方法通常仅基于井眼安装期间记录的测井和其他初始测量值。初始数据的使用导致无法接受的高测量不确定性，这会限制随着注入的流体流在井眼内分裂和重新分布，裂缝是打开还是闭合的预测的可靠性。因此，工作设计可能需要采取修复措施来纠正问题，例如在裂缝中放置支撑剂和其他材料会损害传导性能力和烃产量。

根据本公开的方法可用于设计压裂处理，其可涉及水力压裂和酸化的数值模型，其可帮助支撑剂放置而无筛出(支撑剂桥接)，并实现裂缝和/或虫洞的设计的几何形状和传导性。在一个或多个实施例中，方法可以利用管波分析与流量分裂模拟器和MLF模拟器的组合来产生用于裂缝打开/关闭状态检测的廉价无线方法，该方法可以在压裂操作期间间歇地或实时地进行。在一些实施例中，管波分析可以包括实时监测在多层压裂处理期间反射的管波。

管波是当瑞利波遇到井眼并扰动井眼中的流体时在套管井眼中出现的界面波。管波沿着井眼中的流体和井眼壁之间的界面沿井眼向下传播。由于管波与其行进通过的地层耦合，它可以通过与钻孔相交的开放裂缝扰动地层，产生挤压效应，产生二次管波，从裂缝位置向上和向下反射。截获的二次管波可能包含开放裂缝的诊断特征及其振幅与长度和宽度(例如充满流体的裂缝空间的体积)定性相关的特征，以及其他特征，例如裂缝闭合压力、裂缝起始压力等。管波还可用于检测其他特征，例如障碍物、不同直径的管段、射孔和开放裂缝。

在实践中，二次管波可以通过识别去卷积信号的包络的峰值的时间和幅度从初级管波去卷积。该时间和幅度将以可预测的方式变化，并且可以将变化分析为深度的函数。管波处理的高级算法(例如倒谱分析)与压力源控制机制(包括泵噪声、主动脉冲源等)也可用于从管波中提取数据，以解析井眼中多个裂缝的位置。管波分析的示例在美国专利No.4,831,600中有更详细的讨论。

在一个或多个一些实施例中，方法可以包括使用流量分裂模拟器来确定在压裂操作期间流入每个裂缝的注入泥浆的量，以及使用多层水力压裂模拟器来确定产生的裂缝的参数。在一些实施例中，方法还可以实现数值模型参数的校准以增加来自管波的实时分析的模拟和获取的处理相关数据的匹配，以优化井眼增产，包括包含多个射孔簇的井眼。

多层压裂设计优化

根据本公开的多层压裂操作包括以下一般步骤：选择多层水力压裂处理的候选物、收集处理相关数据以及创建可以基于实时数据采集迭代校准的初始工作设计。图1示出了多层压裂设计优化的一般工作流程。从102开始，该方法通过选择用于水力压裂处理的井眼或地层、收集与处理相关的数据、创建初始工作设计、设置工作执行的初始标准以及基于初始工作设计生成井眼中的管波传播的模型来进行。

收集的处理数据可以包括研究中的每个地层的矿物学信息、应力分布、杨氏模量和渗漏。压裂处理的初始工作设计可能包括水力压裂的所有标准参数，例如流体成分、垫层流体类型、垫层分数、支撑剂计划、泵速、推荐的压裂压力、设备类型、区域隔离(如果需要)等。

在初始工作设计之后，通过在104处执行一个阶段的水力压裂处理来“部分地”执行工作，并且在井眼中的工作性能在106处通过管波分析进行监测。在106处的管波分析包括生成一个或多个井眼中的更多管波，监测一个或多个管波的一个或多个反射，并基于管波传播的模型来计算许多开放裂缝和裂缝几何参数。

在108处，优化开始于管波反射的实时监测，以确定井眼中开放裂缝的深度和/或数量，以及相关联的泵入裂缝的流量。在监测裂缝时，还使用一种或多种算法对数据进行分析，这些算法结合多层水力压裂模拟器对开放裂缝之间的泵速分裂进行实时评估，以确定相关的裂缝参数。在108处获得的裂缝参数在110处被分析以确定在106处所监测的管波与108处的压裂模拟器结果之间是否存在任何误差。当监测数据与压裂模拟器之间存在不可接受的误差水平时，模拟器通过在112处调节压裂模拟器的处理相关数据和参数来校准。

一旦压裂模拟器被校准，该方法移动到114，在此将工作标准的测量数据之间的差异与初始工作设计中提出的工作标准进行比较。在一个或多个实施例中，多层水力压裂处理的工作标准可包括给定井或间隔的一组裂缝数量、放置的支撑剂的百分比、裂缝长度、泵送流量等。

在116处，根据测量的工作设计和初始工作设计之间的差异程度，工作参数可以通过调节多个变量来修改，例如泵送流量、支撑剂浓度、支撑剂尺寸、纤维添加剂、流体类型、流体添加剂量等，以减少相应工作标准的差异。

一旦满足初始工作标准，该方法移动到120，在那里对一个或多个目标井恢复泵送计划并且管波分析在106处继续，或者如果泵送计划完成，则工作执行完成并移动进入下一阶段的井建造。

虽然上面简要讨论了优化方法，但在以下部分中更详细地讨论了每个阶段。

监测井眼中的管波反射

根据本公开的方法包括实时监测在井眼中产生的管波反射以确定能够接受处理流体的开放裂缝的深度和数量。在一些实施例中，反射管波的监测由井眼中的一个或多个分布式压力传感器执行。

图2示出了通过管波分析对用多层压裂处理处理的理想化套管井202的裂缝状态的确定。管波分析是通过建模泥浆流入井眼并计算一个或多个裂缝之间的流量分布来进行的。岩石物理模型可用于通过输入由钻孔内的管波反射感测到的数据，并使用地质特性、流量、注入的流体成分和预期压力响应之间的已知物理关系来计算裂缝参数，以生成关于位置、数量、井眼特定间隔内裂缝的长度和传导性的信息。可用于执行管波分析的岩石物理模型包括诸如在US9658357等中讨论的模型。测量方法包括确定微震事件位置，在井眼附近产生低频压力波(管波)，实时记录裂缝的管波反射，分析微震事件的位置和来自裂缝的管波反射。专利US9103203公开了使用管波(声干扰)来估计充满流体的井眼系统的特性。这是通过以下来实现：记录包括井眼系统中一个或多个位置处的压力和流量中的至少一项的数据，然后通过采用用于预测取决于井眼系统中压力和流动扰动的特征和位置的压力和流量中的至少一项的模型来估计属性值，以确定对记录数据的某些属性的最佳预测。

在管波分析期间，脉冲源204生成压力小波s(t)作为时间t的连续函数，其穿过包含多个裂缝206的井眼。裂缝206与周围介质相比具有不同的水力阻抗并用作井下反射器，以及压力小波s(t)产生管波，该管波以管波V

每次管波脉冲遇到裂缝206时，它的一部分反射，而它的一部分传播通过。井口压力可以通过地面压力计作为离散信号x(n)获得，其中n是样本数。表面压力信号x(n)的分析允许确定开放裂缝的深度。特别关于图2，示出了在测量深度处作为时间函数的脉冲响应的示例。分析方法可用于锐化数据中的峰值(称为去卷积的过程)，并校正离散(例如Q滤波)以帮助识别裂缝和其他伪影。峰208与钻孔反射器相关，在这种情况下是裂缝，距离表面210的深度D

在下一步中，构建离散压力振荡记录x(n)的卷积模型。特别关于图3，图3中302处所示的模型x(n)表示为源小波s(t)304和井眼反射率w(n)306的卷积。在一个或多个实施例中，卷积模型可用于表征井眼中的管波传播，其还可计算井眼反射率w(n)。井眼反射率w(n)是卷积方程x(n)＝s(n)*w(n)中的未知参数。通常，井眼反射率w(n)是由到达时间延迟的衰减最小相位脉冲序列，而它们的幅度取决于井眼中相应的反射系数和波衰减。反射系数由反射边界处的阻抗变化决定。反射系数对水力压裂为负，对井眼限制为正。

在一个或多个实施例中，卷积方程可以通过时域中的去卷积操作或通过频域中的谱划分来求解。相应的井下反射层的深度和类型由估计的井眼反射率和沿井眼的管波速度分布确定。

用多层压裂模拟器实时耦合管波分析

在一个或多个实施例中，方法可以使用流量分裂模拟器和MLF模拟器的组合来分析井眼中的管波测量结果以确定正在执行的压裂处理的参数。通过在压裂处理期间执行多次测量，可以修改工作以解决使用分流和MLF模型识别的问题，以避免或最大限度地减少对修复措施的需求，并最大限度地提高烃的采收率。

使用分流模型计算流量分布

根据本公开的方法可以使用分流模型来确定进入多层裂缝网络的流量分布。特别是关于图4，示出了多层断裂处理的理论框架。裂缝产生于射孔层段附近的岩石中。开放裂缝的位置和总数n由管波监测确定。每个裂缝的生长取决于泵入它的流量和它周围的地层特性。总泵送流量Q被分到n个裂缝。从地表施加压力P

在一个或多个实施例中，用于计算流量分布的算法考虑多种影响，包括：(1)套管摩擦，(2)流体静力，(3)射孔摩擦；和(4)裂缝的存在。在一些实施例中可以添加任何其他压降源。

井眼中的套管摩擦ΔP

ΔP

静水压降ΔP

ΔP

射孔摩擦由方程给出3，其中q

该算法将恒定高度的珀金斯-科恩-诺德格伦(Perkins-Kern-Nordgren(PKN))裂缝的分析模型与描述浆料体积守恒和压力连续性的一组方程相耦合。这些方程经由井眼提供了多个裂缝之间的耦合。净压力ΔP

虽然在以上示例中使用了PKNMLF模拟器，但可以设想任何其他MLF模拟器可用于模拟由裂缝的存在引起的净压力，例如Khristianovich-Geertsma-de Klerk(KGD)模型，径向模型、伪3D模型、平面3D模型、全3D模型等。

该算法中的主要假设是地层内的裂缝之间不存在流体转移。该假设意味着裂缝仅通过井眼耦合。流体体积守恒给出了方程6中所示的相等性。

压力的连续性意味着对于连接第i个裂缝的裂缝尖端与图4中的参考点A的任何路径，所有压力变化的总和等于参考压力，其中P

非线性方程组(5)-(6)的解，其中q

分流模型用于计算井眼内每个裂缝的流量分布，然后随着方法的进行由MLF模拟器进一步分析。在一个或多个实施例中，通过在裂缝几何参数的实时评估期间对进入井眼的泥浆流进行建模来计算多个裂缝之间的流量分布。

使用测量的处理数据处理校准裂缝模拟器

在基于MLF模拟器建立模型之后，将计算出的流量q

根据模拟结果和测量结果之间的差异，可以调节MLF模拟器，直到相对于从管波分析获得的裂缝几何参数的实时评估，开放裂缝的数量、泵送流量和裂缝几何参数在预设的百分比误差限制内一致。例如，一种方法可以包括调节MLF，其中模拟结果和管波分析的测量结果之间的误差大于10％。在一个或多个实施例中，预设百分比误差限制可以是选自5％、10％、15％和20％中的任意一个的百分比。然而，根据应用，误差百分比限制可能会高于或低于规定值。

实时工作分析

一旦测量的MLF模拟器已被用于量化工作进度，测量的工作设计、选定的压裂工作标准可用于判断初始工作设计和测量的工作设计之间的差异。裂缝工作标准可以包括裂缝数量、裂缝长度、支撑剂放置、裂缝传导性等，以及它们的组合。

在一个或多个实施例中，可以设置用于选定工作标准的任意变化限制以在继续多层水力压裂处理之前通知用户是否需要工作设计更新。在一个或多个实施例中，初始工作设计和测量的工作设计数据值之间的压裂工作标准的方差限制可以在选自1％、5％、10％、15％和20％中任一个的百分比，其中高于所选限制的方差表示需要更新初始工作设计以解决测量工作设计中指出的差异。然而，根据应用的不同，差异百分比可能会高于或低于规定值。

工作设计的实时更新

在测得的压裂工作结果与初始工作设计中指定的标准不匹配的情况下，可以执行一种或多种方法来更新当前工作设计以满足指定的标准。在一个或多个实施例中，更新工作设计可以包括通过诸如改变泵送流量、支撑剂浓度、支撑剂类型、支撑剂尺寸、固体添加剂、流体类型、流体添加剂等。

应用

在一个或多个实施例中，压裂方法可应用于先前未压裂的井眼候选物。在一些实施例中，方法可包括应用于先前已经用水力压裂处理来产生增产簇的井眼的再压裂方法，和/或向先前压裂的井添加新的射孔和裂缝。

系统设计

在一个或多个实施例中，根据本公开的方法包括基于监测井眼中的管波反射以确定一个或多个现有裂缝的尺寸和/或位置的采集系统。根据本公开的采集系统可以包括能够在被处理的井眼内产生管波的脉冲源和分布在井眼内不同深度的一个或多个传感器。在一个或多个实施例中，传感器可单独配置或配置在分布式传感器阵列中以监测井眼中的反射管波。例如，在US9476760“Precision measurements in a fiber optic distributedsensor system”中讨论了感测井眼和设备配置中的压力变化的方法。

根据本公开的传感器能够检测和记录压力、振动和/或流量。传感器可以包括适合于井下感测压力和振动变化的任何数量和类型的传感器，例如石英计、包括光纤在内的基于光学的传感器等。在一个或多个实施例中，传感器可包括选自可从SchlumbergerTechnology Corporation商购获得的WELL WATCHER

计算系统

根据本公开的系统还被配置为由计算系统操作，该计算系统组织系统以供用户操作或自主地评估地下地层中的多层裂缝。在一个或多个实施例中，方法可以利用MLF模拟器来求解多个裂缝之间的流量分裂，模拟地层中水力裂缝的生长，并确定裂缝的各种参数。在通过模拟器的处理设计后，除了必要时的修复措施建议之外，还可以实时校准与处理相关的参数。

可以使用移动、桌面、服务器、嵌入式或其他类型的硬件的任何组合。例如，如图5所示，计算系统(500)可以包括一个或多个计算机处理器(502)、相关联的存储器(504)(例如，随机存取存储器(RAM)、高速缓存存储器、闪存、等)、一个或多个存储设备(506)(例如，硬盘、诸如光盘(CD)驱动器或数字通用磁盘(DVD)驱动器之类的光驱、闪存棒等)，以及许多其他元件和功能。计算机处理器(502)可以是用于处理指令的集成电路。例如，计算机处理器可以是一个或多个核，或处理器的微核，其被配置为执行上述方法，包括获得用于水力压裂处理的工作设计、提供用于执行部分的水力压裂处理的指令、通过监测井眼中的管波反射来表征地下地层中的裂缝传播程度，确定裂缝传播程度是否与初始工作设计匹配，并提供用于执行修改初始工作设计和重复先前步骤之一直到裂缝传播程度与初始工作设计相匹配的指令；或完成水力压裂处理。此外，从本公开可以理解，表征压裂传播程度可以包括使用脉冲源在井眼中产生一个或多个管波反射；测量井眼中的一个或多个管波反射；以及确定地下地层内的一个或多个裂缝的位置或裂缝宽度中的至少一个。

计算系统(500)还可以包括一个或多个输入设备(510)，例如触摸屏、键盘、鼠标、麦克风、触摸板、电子笔或任何其他类型的输入设备。此外，计算系统(500)可以包括一个或多个输出设备(508)，例如屏幕(例如，液晶显示器(LCD)、等离子显示器、触摸屏、阴极射线管(CRT)监视器、投影仪或其他显示设备)、打印机、外部存储器或任何其他输出设备。一个或多个输出设备可以与输入设备相同或不同。计算系统(500)可以经由网络接口连接(未显示)连接到网络(512)(例如，局域网(LAN)、广域网(WAN)例如因特网、移动网络或任何其他类型的网络)。输入和输出设备可以在本地或远程(例如，经由网络(512))连接到计算机处理器(502)、存储器(504)和存储设备(506)。存在许多不同类型的计算系统，并且上述输入和输出设备可以采用其他形式。

用于执行本公开的实施例的计算机可读程序代码形式的软件指令可以全部或部分地、临时或永久地存储在非暂时性计算机可读介质上，例如CD、DVD、存储设备、软盘、磁带、闪存、物理内存或任何其他计算机可读存储介质。具体地，软件指令可以对应于当由处理器执行时被配置为执行本公开的实施例的计算机可读程序代码。此外，前述计算系统(500)的一个或多个元件可以位于远程位置并且通过网络(512)连接到其他元件。

此外，本公开的实施例可以在具有多个节点的分布式系统上实现，其中本公开的每个部分可以位于分布式系统内的不同节点上。在本公开的一个实施例中，节点对应于不同的计算设备。或者，节点可以对应于具有相关联的物理存储器的计算机处理器。节点可替代地对应于具有共享存储器和/或资源的计算机处理器或计算机处理器的微核。

示例

以下示例提供了场景，其中根据本公开的方法用于在工作执行时实时验证与初始压裂工作设计的符合性。

示例1：裂缝内的支撑剂放置

在该示例中，将一种方法应用于具有将100％的支撑剂浆料放入多个诱导裂缝的初始标准的工作设计。特别关于图6，602提供了初始工作设计，其中在选定的井眼间隔608中引出三个裂缝610并用支撑剂浆料填充。在初始工作设计中，压裂设计标准是其中所有裂缝含有等量的支撑剂的结果。在水力压裂设计的执行期间，可能会启动多于计划的裂缝，如604中的四个诱导裂缝612所示。额外裂缝的产生表明设计用于较少裂缝的泵送计划将导致较少的流体注入裂缝612，由于支撑剂放置和/或筛出不足，这可能导致裂缝宽度变窄。

尤其关于606，压裂工作期间的管波分析可用于识别工作执行中的不一致，例如非计划附加裂缝614的存在。606中所示的根据本公开的管波分析可实现操作员实时识别问题并采取多种可能的修复措施之一来提高泵速以避免筛出。另一种可能的修复措施是泵送导流材料以阻止一个裂缝的传播并继续刺激剩余的裂缝。

示例2：诱导裂缝长度的控制

在下一个示例中，根据本公开的方法用于设计压裂工作以在具有给定长度L或更短作为压裂工作标准的井眼间隔中产生裂缝。特别关于图7，702是工作设计的示意图，其中在井眼708井下规划了三个长度为L的裂缝710(初始工作设计)。在704所示的工作执行期间，可能不会启动一个或多个计划的裂缝714(裂缝失败)。剩余的裂缝712然后将接收更多的支撑剂浆液并且最终的裂缝长度将大于计划长度L。不受控制的裂缝传播会导致许多并发症，包括渗透到相邻井中和产生不希望的压裂冲击(收敛来自不同井的裂缝)。

通过管波分析识别不存在预期裂缝(这里—根据工作计划是两个开放裂缝而不是三个开放裂缝)，根据本公开的方法可以通过如706中所示的修复和干预避免受激裂缝的传播超出计划的限制。例如，706中的修复可以通过如方程8所述减少支撑剂浆料体积来进行，其中V

如706所示，在压裂工作期间实时管波分析可以指示应该通过减少注入量来修改(在线)裂缝设计以调节最终裂缝长度716以匹配在初始断裂设计中指定的L的值。

尽管上面仅详细描述了几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在本质上不脱离本发明的情况下，在示例性实施例中可以进行许多修改。因此，所有这些修改都旨在包括在如以下权利要求所定义的本公开的范围内。在权利要求中，装置加功能条款旨在涵盖在此描述为执行所述功能的结构，不仅是结构等效物，而且是等效结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子采用圆柱面将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋面，但在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉可以是等效结构。