Средства и способ определения геометрии подземной трещины во время или после проведения гидроразрыва

005808 Это изобретение относится в целом к гидроразрывам пласта и более точно к способу и средствам определения геометрии трещины во время или после гидроразрыва. Гидроразрыв пласта является основным методом для улучшения продуктивности скважины при помощи создания или увеличения протяженности трещин или каналов из скважины в коллектор. По существу эта операция осуществляется гидравлическим способом при помощи закачки жидкости для гидроразрыва в скважину, проходящую подземную формацию, и нагнетания жидкости разрыва в пласты формации под давлением. Пласты формации или породы заставляют растрескиваться, создавая или увеличивая одну или более трещин. Расклинивающий наполнитель внедряют в трещины, предотвращая ее смыкание и, таким образом, обеспечивают улучшенное течение извлекаемого флюида, то есть нефти,газа или воды. Таким образом, расклинивающий наполнитель используется для удержания стенок трещины на расстоянии друг от друга для создания пути движения флюида после того, как закачка остановлена. Размещение соответствующего расклинивающего наполнителя в соответствующей концентрации для образования соответствующей упаковки расклинивающего наполнителя является, таким образом, необходимым условием успеха гидроразрыва. Геометрия гидравлической трещины, расположенной в определенном месте, прямо оказывает влияние на эффективность процесса и успех операции. Предположение об этой геометрии трещины обычно делается с использованием моделей и интерпретации данных, но до настоящего времени не имеется прямых измерений. Настоящее изобретение направлено на получение более прямых измерений геометрии трещин (то есть длины, высоты ее при удалении от скважины). Предположение о геометрии трещины часто осуществляется при помощи использования моделей и интерпретации замеров давления. Иногда для предположения о высоте трещины около скважины используются диаграмма термометрии скважины и/или диаграмма результатов исследования скважины при помощи радиоактивных изотопов. Для определения направления (азимута), длины и высоты созданной трещины записываются и интерпретируются микросейсмические явления, сформированные в непосредственной близости от созданной гидравлической трещины. Однако эти известные способы являются непрямыми измерениями и полагаться на их интерпретации было бы ошибочно, и их трудно использовать для оценки и оптимизации процесса гидроразрыва в реальном времени. Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение нового способа к оценке геометрии трещины. Сущность изобретения Согласно настоящему изобретению геометрия трещины оценивается при помощи размещения внутри трещины небольших устройств, которые активно или пассивно дают нам измерения геометрии трещины. Материал в трещине (маленькие предметы с характерными свойствами, например металлические шарики с очень низким сопротивлением) или устройства (например, маленькие электронные или акустические передатчики) вводятся в трещину во время процесса разрыва с помощью жидкости для гидроразрыва. Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения активные устройства добавляются в жидкость для гидроразрыва. Эти устройства будут активно передавать данные, которые обеспечат информацию о местоположении устройства и, соответственно, что может ассоциироваться с геометрией трещины. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения в жидкость для гидроразрыва добавляются пассивные устройства. В предпочтительном варианте осуществления изобретения эти устройства используются также в качестве расклинивающего наполнителя. Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения Примеры активного устройства включают в себя электронные чувствительные микроэлементы,например такие, как радиочастотные передатчики или акустические приемопередатчики. Эти активные устройства будут интегрированы с аппаратурой для прослеживания их положения для того, чтобы передавать информацию о их местоположении по мере их продвижения с жидкостью разрыва/пульпы внутрь сформированной трещины. Чувствительные микроэлементы могут закачиваться с жидкостями для гидроразрыва в течение всей обработки или во время выбранных стратегических этапов процесса гидроразрыва (подушка, передняя часть жидкости с расклинивающим наполнителем, хвостовая часть жидкости с расклинивающим наполнителем) для обеспечения прямых указаний на длину и высоту трещины. В этом случаечувствительные микроэлементы образовывали бы сеть, использующую беспроводную связь между соседними микроэлементами, и могли бы определять расположение и местоположение посредством алгоритмов модельного локального позиционирования. Датчики давления и температуры могли бы также быть интегрированы с вышеупомянутыми активными устройствами. Результирующие замеры давления и температуры использовались бы для лучшей калибровки и усовершенствования методик моделирования распространения гидравлических трещин. Они также позволили бы провести оптимизацию жидкостей разрыва посредством определения действи-1 005808 тельных условий, при которых, как ожидается, будут функционировать эти жидкости. Дополнительно также можно было бы интегрировать химические датчики, позволяющие контролировать эксплуатационные качества жидкости во время процесса гидроразрыва. Поскольку число требуемых активных устройств мало по сравнению с числом зерен расклинивающего наполнителя, возможно использование устройств, значительно больших по размеру, чем расклинивающий наполнитель, закачиваемый в жидкости для гидроразрыва. Активные устройства могли бы добавляться после смесителя и цементного насоса, например, через отвод байпаса. Примеры таких устройств включают в себя малые сети беспроводных датчиков, которые сочетают в себе микросенсорную технику, обработку маломощных распространяемых сигналов и возможность недорогой беспроводной сети в компактной системе, как описано, например, в заявке WO 0126334,предпочтительно использующей протокол оперирования данными, такой как TinyOS, таким образом,чтобы устройства конфигурировались бы в сеть при взаимодействии друг с другом, таким образом обеспечивая коммуникационную связь от конца трещины до скважины и на поверхности, даже если сигналы слабы, таким образом сигналы транслируются от наиболее удаленных устройств в направлении устройств, наиболее близких к регистрирующему устройству, для обеспечения непрерывных передач и сбора данных. Датчики могут быть сконструированы с использованием MEMS технологии или интегральной схемы из сферических полупроводников, как известно из уровня техники, патент США 6.004.396. Регистрирующее устройство, расположенное на поверхности или на забое скважины, может собирать и записывать/передавать данные, направляемые устройствами в компьютер для их дальнейшей обработки и анализа. Данные также могут быть переданы в офисы в любой части мира, используя Интернет, для обеспечения связи удаленным лицам для принятия участия в решениях, влияющих на результаты гидроразрыва. Полоса частот, используемых электронными передатчиками должна бы быть такова, чтобы металлическая обсадная колонна скважины блокировала бы передачу сигналов из формации за колонной в скважину, антенны могли бы быть развернуты через перфорационные каналы. Эти антенны могли бы быть установлены на непроводящих сферических или яйцеобразных телах, немного больших по размеру,чем диаметр перфорации, и выполненных для закачки и закрепления в некоторых перфорациях и трансляции сигналов через стенку металлической обсадной колонны. Альтернативным методом развертывания антенн было бы протягивание проволочной антенны передатчиком в процессе закачки. Другой вариант включал бы случай, где измерительными устройствами являются оптические волокна с физической связью с регистрирующим устройством на поверхности или в скважине, которые были бы протянуты через перфорации, когда осуществляется обсадка скважины перфорированной колонной, или прямо в трещину в ситуации с необсаженным стволом скважины. Оптическое волокно дало бы возможность осуществлять измерения длины трещины, также как давления и температуры. Важный альтернативный вариант осуществления этого изобретения включает в себя использование материалов со специфическими свойствами, обеспечивающих возможность получения информации по геометрии трещины, используя дополнительное измерительное устройство. Специфические примеры пассивных материалов включают в себя использование металлических волокон или шариков в качестве расклинивающего наполнителя. Эти материалы заменили бы некоторую часть или весь традиционный расклинивающий наполнитель и могли бы иметь достаточную прочность на сжатие для сопротивления разрушению при смыкании трещины. Зонд для замера сопротивления на различных глубинах исследования был бы протянут в стволе скважины, подвергаемой гидроразрыву. Так как расклинивающий наполнитель является проводимым и значительно отличающимся по сопротивлению от окружающих пород, замеры сопротивления интерпретировались бы для получения информации по геометрии трещины. Другим примером является использование железистых/магнитных волокон или шариков. Они заменили бы некоторую часть или весь стандартный расклинивающий наполнитель и могли бы иметь достаточную прочность на сжатие для сопротивления разрушению при смыкании трещины. Зонд, содержащий магнитометры, был бы протянут в стволе скважины, подвергающейся гидроразрыву. Так как расклинивающий наполнитель формирует магнитное поле, значительно отличающееся по сравнению с магнитным полем окружающих пород, замеры магнитного поля интерпретировались бы для получения информации по геометрии трещины. По варианту этого примера измерительные устройства растягиваются по поверхности или в соседних скважинах. Большей частью приборы, такие как зонды для измерения сопротивления, электромагнитные устройства, ультрадлинные электрокаротажные зонды, могут легко обнаружить этот расклинивающий наполнитель, обеспечивающий в какой-то степени определение высоты трещины,ширины трещины и при обработке данных закрепленную длину трещины. Следующий этап относится к обеспечению информации, полученной по методикам, описанным выше, которая могла быть использована для калибровки параметров модели распространения трещины для получения возможности более точного проектирования и реализации трещин в близлежащих скважинах в геологических формациях с подобными свойствами и осуществления непосредственных действий по проектированию трещины для увеличения экономического результата обработки. Например, если измерения показывают, что обработка трещины подтверждается только для участка-2 005808 интервала формации, подвергнувшегося обработке, устройства для проектирования в реальном времени подтвердят правильность предложенных действий, например увеличения темпа закачки и вязкости жидкости или использование закупоривающих шариков для отклонения потока жидкости для обработки остальной части интервала, представляющего интерес. Если измерения показывают, что в типичном гидроразрыве и процессе заполнения трещины расклинивающим наполнителем обработка стенок трещины после выпадения расклинивающего наполнителя еще не произошла и что созданная трещина еще находится на безопасном расстоянии от ближней водяной зоны, устройство для проектирования в реальном времени было бы рекалибровано и использовано для оценки правильности продолжения графика закачки. Это продолжение включало бы в себя закачку дополнительной гидросмеси с расклинивающим наполнителем для достижения выпадения наполнителя в верхней части трещины, что необходимо для отдачи пласта, и в то же время не допускало бы прорыва в водяную зону. Измерения показали бы также правильность применения специальных материалов и операций по закачке, которые использовались во время проведения гидроразрыва для того, чтобы оградить трещину от проникновения в ближние водяную или газовую зоны. Эти результаты измерений позволили бы продолжить обработку с уверенностью в ее экономическом успехе или предпринять дополнительные действия, например, вновь запроектировать или повторить специальную операцию по закачке с материалами,для того чтобы достичь большего успеха в остановке трещины в стороне до водяной зоны. Из пассивных материалов могут быть использованы металлические частицы. Эти частицы могут быть добавлены в качестве наполнителя в расклинивающий наполнитель или заменить часть расклинивающего наполнителя. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения металлические частицы, состоящие из продолговатых крупиц металлического материала, при этом отдельные частицы упомянутого мелкого материала имеют форму с отношением длины к основанию большим, чем 5,и используются как расклинивающий наполнитель и пассивный материал. Предпочтительно, чтобы использование металлических волокон в качестве расклинивающего наполнителя обеспечивало улучшение проводимости расклинивающего наполнителя и способствовало совместимости ее с известными приемами для улучшения проводимости расклинивающего наполнителя,такими как использование материалов с улучшенной проводимостью (в особенности использование дробилок), и использования неповреждающих жидкостей разрыва, таких как гелированные нефти, вязкоупругие жидкости на основе поверхностно-активных веществ, вспененные и эмульсированные жидкости. Во всех вариантах осуществления настоящего изобретения, где по меньшей мере часть расклинивающего наполнителя состоит из металла и по меньшей мере часть жидкости разрыва содержат расклинивающий наполнитель, состоящий по существу из металлического материала в виде продолговатых частиц, упомянутые частицы этого измельченного материала имеют форму с отношением длины к основанию больше, чем 5. Хотя продолговатые частицы материала наиболее часто являются сегментами проволоки, могут также использоваться другие формы, такие как ленты или волокна с непостоянным диаметром, при условии того, что отношение длины к эквивалентному диаметру больше, чем 5, предпочтительно больше, чем 8 и наиболее предпочтительно больше, чем 10. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, отдельные частицы упомянутого измельченного материала имеют длину, варьирующую приблизительно между 1 и 25 мм, причем предпочтительно чтобы диапазон длин находился в пределах приблизительно от 2 до 15 мм, и наиболее предпочтительно приблизительно от 5 до 10 мм. Предпочитаемые диаметры (или эквивалентные диаметры, где частица не округлая) обычно варьирует приблизительно от 0,1 до 1 мм и наиболее предпочтительно приблизительно от 0,2 до 0,5 мм. Следует понимать, что в зависимости от процесса производства можно ожидать небольшие вариации форм, длин и диаметров. Продолговатые частицы материала, в основном, металлические, но могут включать в себя органическую часть, например пластиковое покрытие. Предпочитаемые металлы включают в себя железо, феррит, низкоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь и сплавы железа. В зависимости от применения и,особенно, от усилия смыкания, которое как ожидается, может быть встречено в трещине, могут использоваться мягкие сплавы, хотя обычно предпочитают использовать металлические проволоки, имеющие твердость приблизительно между 45 и 55 по Роквеллу. Расклинивающий наполнитель из проволоки согласно изобретению может быть использован во время всего этапа расклинивания или только для расклинивания части трещины. В одном варианте осуществления изобретения способ расклинивания трещины в подземных формациях включает в себя два несинхронных этапа размещения расклинивающего наполнителя в трещине, причем первая часть расклинивающего наполнителя состоит по существу из сферических частиц из неметаллического материала и вторая состоит по существу из продолговатых частиц материала, имеющих отношение длины к эквивалентному диаметру больше, чем 5. Под существенно сферическими частицами из неметаллического материала здесь имеется в виду любой стандартный расклинивающий наполнитель, хорошо известный тем,кто имеет опыт в области гидроразрыва, и состоящий, например, из песка, кварца, синтетических органических частиц, микросфер стекла, керамики, содержащей алюмосиликаты, спеченного боксита и смеси из них или деформируемого измельченного материала, такого как описано в Патенте США 6.330.916.-3 005808 В другом варианте осуществления изобретения расклинивающий наполнитель из проволоки только добавляется к части жидкости разрыва, предпочтительно к хвостовой части. В обоих случаях расклинивающий наполнитель из проволоки в изобретении не смешивается со стандартным материалом и материалом для расклинивания трещин или, если смешивается, то стандартный материал составляет не больше чем 25% по весу от всей смеси расклинивающих наполнителей, предпочтительно не больше чем 15% по весу. Экспериментальные способы. Было проведено испытание для сравнения расклинивающего наполнителя, выполненного из металлических шариков из стали SS 302, имеющих средний диаметр около 1,6 мм, и расклинивающего наполнителя из проволоки, выполненного путем разрезания проволоки без покрытия из нержавеющей сталиSS 302 на сегменты с длиной приблизительно 7,6 мм. Проволока имела диаметр 1,6 мм. Расклинивающий наполнитель был помещен между двумя плитами из песчаника Ohio в установке для замера проводимости трещин и подвергнут стандартному испытанию по определению проводимости упаковки расклинивающего наполнителя. Эксперименты были сделаны при температуре 100 F, нагрузке на расклинивающий наполнитель 21 фунт/фут 2 и трех усилий смыкания 3000, 6000 и 9000 фунт/дюйм 2(что соответствует приблизительно 20,6, 41,4 и 62 МПа). Результаты определения проницаемости, просвета трещины и проводимости стальных шариков и проволоки показаны в табл. 1. Проводимость равна произведению проницаемости в миллидарси на просвет трещины (в футах). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ разрыва подземных отложений, включающий в себя следующие этапы: введение жидкости для гидроразрыва в гидравлическую трещину, созданную в подземной формации, при этом, по меньшей мере, в доле жидкости для гидроразрыва содержится по меньшей мере одно устройство, активно передающее информацию о местоположении устройства, и содержащий этап определения геометрии трещины, основываясь на указанных местоположениях упомянутых устройств. 2. Способ по п.1, в котором упомянутые устройства выбраны из группы, включающей в себя электронные и акустические устройства. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одно устройство закачивается во время этапа закачки начальной доли жидкости и по меньшей мере одно устройство во время закачки хвостовой части жидкости. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные устройства также передают информацию, такую как температура окружающей формации. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутые устройства также передают информацию, такую как давление. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вводится множество устройств, причем упомянутые устройства конфигурируются в сеть с беспроводной связью. 7. Способ по п.2, в котором устройства являются электронными передатчиками и способ дополнительно включает в себя развертывание по меньшей мере одной антенны. 8. Способ по п.7, в котором указанные антенны, установленные на непроводящих шариках, закачиваются с жидкостью и оседают в некоторых перфорационных отверстиях, транслируя сигналы от чувствительных элементов за стенкой обсадной колонны. 9. Способ по п.7, в котором антенна следует за передатчиком в скважине в процессе его закачки. 10. Способ по п.1, в котором устройство является оптическим волокном, протянутым через перфорацию. 11. Способ по п.10, в котором оптическое волокно далее протягивается через трещину. 12. Способ разрыва подземной формации, включающий в себя следующие этапы: введение жидкости для гидроразрыва в гидравлическую трещину, созданную в подземной формации, где по меньшей мере часть жидкости для гидроразрыва содержит металлические элементы, и далее включает в себя этап определения местоположения упомянутых металлических элементов при помощи прибора, выбранного из группы, состоящей из магнитометров, зондов для измерения сопротивления, электромагнитных уст-4 005808 ройств и ультрадлинных электрокаротажных зондов, где упомянутые металлические элементы представляют собой продолговатые частицы, имеющие отношение длины к диаметру больше, чем 5. 13. Способ по п.12, в котором упомянутые металлические элементы содержат продолговатые частицы, имеющие отношение длины к эквивалентному диаметру больше, чем 8. 14. Способ по п.12 или 13, в котором упомянутые продолговатые частицы выполнены из материала,выбранного из группы, состоящей из железа, феррита, низкоуглеродистой стали, нержавеющей стали и сплавов железа. 15. Способ по любому из пп.12-14, в котором упомянутые продолговатые частицы имеют длину от 1 до 25 мм. 16. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором геометрия трещины отслеживается в реальном времени во время осуществления гидроразрыва.