本发明一般涉及在水力压裂过程中收集井下数据的系统和方法。

背景技术：

在传统的水力压裂操作期间，井筒的一部分受到增产或水力压裂。压裂流体穿过井筒，然后穿过开放的射孔组，然后进入含碳氢化合物的含气页岩，从而产生水力压裂。

传统上，用于获取井下压力和温度数据的方法包括管后光纤电缆，垂直井中的井底压力计和实时环形表面测量。因为在目前的水平井环境中要么过于昂贵，要么不足，因而获取这些信息的技术并不容易。

技术实现要素：

本发明包括一种用于在水力压裂过程中收集数据的系统。该系统包括智能压裂塞（smart frac plug）组件，当与有线、无线或管道/套管输送数据记录器和其他相关记录/处理系统结合使用时，可提供直接的地表下的压力、温度和/或任何观察到的速度和/或加速度场的测量。智能压裂塞组件优选地与压裂球一起使用，该压裂球的尺寸设计成阻挡压裂塞中的流动通道，以便隔离井筒的先前压裂的部分。本发明的系统还可用于确定压裂球是否与智能压裂塞进行非优化密封。

本发明的智能压裂塞优选地包括仪器塞模块，其包括一个或多个单元，这取决于智能压裂塞是否用于测量压力、温度、观察到的速度和/或加速度场和/或任何其他测量。任何速度和/或加速度场可以与通常与流体注入操作相关联的诱发微震发射所产生的弹性波形相关联。

在本发明的一个实施例中，智能压裂塞包括压裂塞（fracturing plug），也称为frac plug，具有管状主体和流动通道，该压裂塞能够至少部分地隔离井筒的一部分。本发明的智能压裂塞还包括连接到压裂塞的仪器塞模块（instrument plug module），其中仪器塞模块包括一个或多个传感器，用于在井筒的水力压裂期间测量数据。在一个优选实施例中，仪器塞模块包括环形形状，该环形形状装配在容纳本发明的智能压裂塞的其他部件的伸长管状主体构件的顶部上。或者，仪器塞模块可以包括任何形状以定位在沿着塞的其他位置。仪器塞模块能够测量不同类型的数据，包括但不限于压力、温度和/或速度和/或加速度场。传感器可以包括地震检波器，MEMS压力/温度（P/T）传感器和/或MEMS加速度计。地震检波器/加速度计的扩展阵列将允许在井场规模开发（pad scale development）中水力压裂过程逐步更好地成像。然而，本发明的系统不限于这些类型的传感器。仪器塞模块优选地还包括数据传输系统，用于将测量的数据传输到数据记录器或另一个设备以记录测量的数据。在优选实施例中，数据传输系统包括发射器和接收器以及电源中的至少一种。

在水力压裂过程中，将使用主动源将弹性波向下送入井中，这些波将由传感器记录。在优选实施例中，源将位于井场内。对于每个水力压裂阶段或在每个阶段期间多次重复该过程。由传感器测量的数据将优选地使用数据记录器提取并且将被处理以提供近实时、可能具有数小时的滞后时间的、裂缝储层如何从一个阶段变化到下一个阶段的图像。提供有关压裂效率和问题的诊断信息。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他目的和特征。

图1是显示桥塞射孔连作水力压裂工艺（plug and perf hydraulic fracturing process）的示意图，其中（a）为压裂阶段，（b）为射孔组装和塞放置，（c）为运行射孔，（d）为支撑剂泵送用于压裂。

图2是已知的现有技术的压裂塞的局部侧剖视图。

图3是根据本发明的一个实施例的智能压裂塞的侧剖视图，示出了仪器塞模块的放置。

图4a是根据本发明实施例的仪器塞模块的示意图，示出了具有用以测量3轴运动的三个定向地震检波器、以及压力/温度监测传感器、电源和电子组件的设计。AA'是环形部件轴。

图4b是根据本发明另一实施例的仪器塞模块的示意图，示出了用以测量3轴加速度的三轴MEMS加速度计、以及压力/温度监测传感器、电源和电子组件。AA'是环形部件轴。

图5是地震检波器的示意图。

图6是MEMS单轴加速度计的示意图。

图7a是地震检波器聚集图和加速度计聚集图。

图7b是示出将地震检波器的振幅谱显示为实线并且将加速度计的振幅谱显示为虚线的图。

图8是表示本发明的智能压裂塞和数据记录器的无线数据传输的示意图。

图9是显示使用本发明的智能压裂塞的被动地震监测的示意图。

图10是显示使用本发明的智能压裂塞的3D主动地震监测的示意图。

图11a是仪器塞模块的示意图，示出了根据本发明实施例的用于射频通信的发射器/接收器天线放置。

图11b是仪器塞模块的示意图，示出了根据本发明实施例的用于通信的沿套管的发射器/接收器天线放置。

图12示出了用于埋管的发送比特流和接收信号的图。

具体实施方式

如下所述，本申请的发明是一种用于在水力压裂过程中测量和收集数据的装置，所述数据包括但不限于温度、压力和/或速度和/或加速度场。

图1a-d示出了典型的“桥塞射孔连作”压裂工艺，并且通常涉及大量的压裂阶段，其在每个阶段期间使用传统的隔离压裂塞100进行液压隔离。在操作中，一旦井102被钻孔并且生产套管104已经粘合，压裂过程就可以开始。涉及的大概步骤如下。在井趾或第一阶段108已经压裂之后，具有附接的隔离压裂塞100的射孔组件106从待增产的下一个区域或第二阶段110向井底定位。隔离压裂塞100包括流动通道34并且被设定为至少部分地阻挡进一步流向井下方的流动，以便将即将压裂的下一个区域110与先前的压裂阶段108隔离开。在装有聚能弹的射孔组件106内的聚能弹被激活以穿透将被水力压裂的套管/水泥/岩体区间。接下来，将压裂球32泵送下到井中并设置在隔离压裂塞100上的压裂球座上，该压裂球座设置成阻挡流动通道34并且将先前完成的阶段即第一阶段108与将被泵送的新阶段即第二阶段110液压隔离。一旦在第二阶段110中创建了射孔112，就将射孔组件106从井102与连接有未示出的泵车的井口移除，以将支撑剂和压裂流体注入到新阶段110中。优选地，重复该过程直到所有阶段都被水力压裂88。这些传统的压裂塞100在压裂过程中不能测量和收集数据。要求保护的发明利用压裂塞的位置和适当的工具来获得有价值的数据，这些数据有助于提高我们对水力压裂过程以及增产期间和增产后的储层行为的理解。

图2显示了用于水力压裂的典型已知压裂塞100的示意图。在操作中，将流体泵送到井102中以与塞100和射孔组件/枪106液压地推动线缆以隔离前一阶段或第一（井趾）阶段108。通过电缆114发送电信号，激活设定工具116，其启动滑动件118以牢固地咬合到内套管104并且将密封元件120牢固地推靠在套管104上以在塞子100上形成液压隔离。滑动件118优选地包括将多面聚合物元件，其压缩以形成密封。然后设定工具剪掉已经设定的塞子，通过电缆发送电信号激活射孔枪。

图3b示出了根据本发明一个实施例的创新的智能压裂塞组件10，其在与线缆或管道输送数据记录器12和/或其他相关记录/处理系统结合使用时，提供对地表下的压力、温度、以及任何观察到的速度和/或加速度场的直接测量。任何速度和/或加速度场可以与通常与流体注入操作相关联的诱发微震发射产生的弹性波形相关联。本发明的智能压裂塞10在设计上与传统的压裂塞100类似，并且包括许多类似的部件，但包括仪器塞模块14，其可包括单个单元或多个单元，具体取决于要测量哪个和几个水力压裂特性。在优选实施例中，每个仪器塞模块14是环形的并且与智能压裂塞10的伸长管状主体耦合。图3示出了根据本发明的一个实施例的压裂塞10的示意图，示出了仪器塞模块14沿着密封元件的放置。请注意，也可以将仪器塞模块14沿着塞10放在其他位置。或者，仪器塞模块14可以包括另一种形状，并且可以位于智能压裂塞10上的另一个位置。

在本发明的一个实施例中，压力和/或温度测量可以为数据记录器12和/或其他记录/处理系统提供实时触发以开始收集数据。例如，当塞10上的压力或温度发生突然变化时，这表明流动条件可能发生变化（没有向水力压裂开始的流），因此，控制器触发数据记录器12开始记录测量供以后使用。该实施例节省了系统的电力和/或存储要求。或者，数据的记录可以由沿井筒向下的、作为钢套管中的振动的调制信号触发或由通过井的压力脉冲触发。还可以使用RF传输触发本发明的系统来记录数据。另一个可能的实施例，数据记录器12在没有触发机制的情况下连续记录数据。

图4a和图4b各自示出了根据本发明实施例的仪器塞模块14的示意图。每个实施例示出了可以包括在仪器塞模块14中的不同组件和传感器。图4a示出了仪器塞模块14的实施例，其包括：连接到用以测量3轴运动的多个定向地震检波器18的电源16，压力/温度监测传感器(MEMS P/T传感器) 20，和电子组件22。电子组件22可包括但不限于：用于仪器塞模块14的微处理器和/或控制器。图4b示出了一个替代实施例，其包括：用于测量3轴加速度的三轴MEMS加速度计24，以及压力/温度监测传感器20、电源16和电子组件22。注意AA'是图3中所示的环形部件轴。通过根据工程或其他要求重新分配传感器，仪器塞模块14的其他可能的实施例是可能的。仪器塞模块14的替代实施例可以使用其他类型的传感器。

除了传感器之外，本发明的智能压裂塞10还可以包括数据传输系统，该数据传输系统包括例如发射器26和/或接收器28。根据关于仪表的各种选择，仪器塞设计可以变化。结合图4描述了两种可能的替代设计，但是其他设计也是可能的。本发明的智能压裂塞10可用于各种应用，包括在与特定井场相关的阶段和井的完成期间沿所有侧面收集压力和温度数据。一些确定的应用如下：

1）在沿着偏移井（offset well）的阶段的处理期间的压力和温度测量可以帮助理解两个井侧面之间的流体连通。这反过来可以帮助理解一般的压裂过程和与完井相关的具体问题（例如应力遮蔽，流体通道和旁路等）。压力数据还可以帮助识别先前压裂阶段的潜在流体损失。

2）由于塞将保持原位，直到塞在井最终投入生产之前被钻出，因此智能塞10还可用于测量早期回流特性。

3）由于传播的弹性波引起的速度和/或加速度场的变化可以帮助从增产储层内识别诱发地震事件的源特征。这可以帮助绘制受注入的流体和支撑剂影响的区域，并帮助完井诊断。本发明还可以帮助理解增产的岩体内的普遍压力条件。

4）在地面使用主动源，可以通过将地面上的源移动到不同的位置并从智能压裂塞收集相关的地震数据来进行有限的地震成像。通过适当的勘测设计，应该可以对增产的储层进行成像，这反过来可以帮助理解在水力压裂过程中由于流体注入而可能发生的变化。

5）由于射孔是利用胶结的井筒中聚能弹受控爆炸产生的，因此在井场的第一个井完井后，通过将在智能压裂塞观测到的地震波形与射孔相结合，压缩和剪切波速度模型均可以被改善。

6）在水力压裂过程中，将采用主动源将弹性波向地表下送至完井，这些波将由传感器、地震检波器/加速度计记录。更优选地，源将位于井场内正在完井的井中。优选地，对于每个水力压裂阶段或在阶段期间多次重复该过程。数据将由数据记录器提取并将被处理以提供裂缝储层如何从一个阶段到下一个阶段的变化的近实时图像。这将提供关于压裂效率和问题的实时诊断信息。在替代实施例中，数据将被以一些滞后时间、可能是数小时滞后时间进行处理。

7）在水力压裂过程中，由于高压流体破坏了储层中的岩石而发生了微震。这产生了小的诱发地震，其释放能量，该能量由本发明的智能压裂塞阵列测量。使用各种技术，例如被动成像，可以识别这些地震的位置以及岩石的特性。该分析可以在每个阶段结束时进行，或者在每个阶段进行水力压裂期间进行多次。

8）在储层存在多个间隙的情况下，本发明的系统在每个间隙中使用传感器。允许传感器以合理的垂直偏移(例如数百英尺的偏移)分布，这将允许在被动成像的情况下更好地描绘微震位置或者在主动成像的情况下更好地对地表下进行成像。

9）基于早期的速度和/或加速度测量，可以建立射孔间隔与井筒的有效连通。压力和温度测量也可以这样做。

可以潜在记录和利用的另一个特性是电阻率。电阻率随时间的变化可以与压力或温度数据结合使用，以理解相应的智能压裂塞位置处或附近的流体组成变化。

如上面在仪器塞模块14中所描述的地震检波器18是用于测量地面运动的装置。在地震工程学中，组合使用定向地震检波器以提供关于通过地表下传输的弹性波形的距离和方向的信息，该弹性波形在波形穿过传感器时记录在地震检波器中。图5示出了一种类型、特别是动圈式探测型4.5Hz地震检波器的动圈式电磁地震检波器18的示意图和横截面图。该地震检波器是可以与仪器塞模块一起使用的一种类型的地震检波器，并且应该理解，可以使用其他类型的地震检波器。地震检波器包括具有圆形槽的圆柱形永磁体。槽将环形N极与中心S极分开。在板簧的帮助下，包括非常细的导线的线圈悬挂在槽中。当传感器沿中心轴移动时，磁铁随之移动，但由于惯性，线圈趋于保持固定。线圈和磁场之间的相对运动在线圈端子之间产生电压。

普通的电容式MEMS加速度计在高温下具有非常高的灵敏度和精度。图6示出了典型的MEMS单轴加速度计的示意图。如果两个板保持平行分开一定距离，则可以基于分离材料的电容率、电极的面积和分离距离来定义电容。从基线测量的电容的变化可用于测量引起板之间的分离距离的变化加速度。可移动的微结构或检测质量块（proof mass）连接到机械悬挂系统并且由可移动的电容器板组成。以90°彼此相加的附加电容器用于形成3轴加速度计24。

在过去几年中，已经研究了加速度计在传统地震监测或成像活动中的效用。最近的结果表明在大多数条件下的适用性都要考虑。唯一的问题涉及重新调整数据，以便匹配传统地震检波器的观测结果，假如地震检波器也参与监测/成像活动，如后面部分所述。图7a示出了地震检波器和MEMS加速度计之间的3D反射地震勘测中记录的波形之间的样本比较，左侧为地震检波器聚集，右侧为加速度计聚集。图7b示出了突显潜在可用性的在特定接收器位置处的两个系统的振幅谱之间的比较，以实线示出地震检波器的振幅谱，以虚线示出加速度计的振幅谱。

当波穿过精心放置的源（如炸药，振动器等）和接收器（地震检波器）之间的地表下地层时，3D地震成像涉及了解直接、反射（最常见）、折射或模式转换波的波遍历特征（wave traversal characteristics）。当波穿过地表下时，波经历扰动（波传播现象），其取决于地表下岩石特征（阻抗对比，裂缝和断层，分层结构，盐体等）。波形的变化可以记录在接收器上，并且可以解释为理解地表下在结构上和地层学上是何种样子。

使用主动源（使用放置在其他井或表面上的主动源，例如振动卡车）和被动地震监测的地震成像之间的主要区别在于不存在任何主动源。在被动地震监测中，源是自然发生的（例如地震和微地震）或诱导的（例如与流体注入相关的地震活动）。当岩石内的应力状态发生变化时，由于现有断层的滑动或新裂缝的产生，我们观察到岩石内部的故障。由于故障本质上是弹性的，故障伴随着从故障点传播出来的地震波。被动地震监测涉及对这些故障进行三角测量并评估其他源特征，例如地震事件的大小及其时刻。

本发明的系统可以使用各种方法进行数据读取（data retrieval）。在图8所示的优选实施例中，数据记录器12可以在每次完成结束时发送到井下，以从智能压裂塞菊花链序列30读取相关数据。在图9所示的数据读取的另一个实施例中，一旦完成所有压裂阶段，就可以将数据记录器12发送到井下，并且可以一次读取在水力压裂过程期间收集的所有数据。可能优选使用这里强调的第一实施例，因为记录器可以是射孔组件的一部分，因此将导致更快的数据读取。收集的所有数据通过智能压裂塞菊花链30无线传输，并使用数据恢复记录工具12恢复。对于那些处于正在完成的阶段下游、朝向所述井筒的井趾的压裂塞10，数据被存储，并且在整个井被压裂后发生恢复。数据处理和分析可以近乎实时地发生（使用从偏移井收集的数据）或在从所有可用的智能压裂塞恢复数据之后的完井后发生。示出的可选的机会井是在正在被水力压裂的井筒侧面附近可以获得的垂直井，这些井也可以通过将三轴地震检波器放置在接近目标深度的位置来用于监测。对于其他可能的实施例，机会井可以是水平横井（而不是垂直井），高度偏离，并且多于一个。

图10示出了与正被水力压裂的井上方的储层的3D地震成像相关联的另一潜在部署和数据恢复方案。请注意，与传统的3D反射地震勘测不同，本发明的系统将关注成像的直接以及间接和转换的到达。虽然这可以在压裂操作期间进行，但图10描述了整个井场完成后的操作，所有井都已经压裂但塞尚未钻出。作为源，例如振动器卡车，被移动到图中突出显示的各个位置，从特定源发出的弹性波穿过土壤直到由智能压裂塞10中的传感器记录。记录的数据通过一系列智能压裂塞10无线传输以由数据记录器12收集，然后根据需要进行处理。

在本发明的一个优选实施例中，智能压裂塞10将被“菊花链连接”在一起以形成数据传输网络，该系统必须既牢靠又无线以在深的分支井中操作。用于基于射频的数据传输的大多数便携式系统通常以甚高频（VHF）到超高频（UHF）之间的频带工作。然而，由于地壳中的高密度物质，无线电波会因高度衰减和散射而不能传播得很远。由于频率必须非常低，因此天线尺寸需要相对较大。这样，在优选实施例中，压裂塞10包括嵌入智能压裂塞10中的接收器天线36和发射器天线38，作为在塞10的相对端处的导电径向环。图11a示出了用于RF通信的发射器/接收器36、38沿着智能压裂塞10的可能的放置方案的示例。或者，射频信号可以通过井筒流体传输。在该实施例中，本发明的系统可以使用烧结钢管套管104作为数据传输导管。在这种情况下，发射器天线36和接收器天线38可以是压电的并且可以放置在封隔器塞（packer plug）组件内，因为这将允许单元和套管之间的良好接触。图11b示出了本发明的用于通信的沿着套管104的智能压裂塞10的实施例。

每个水力压裂场所的数据传输工作流程可首先涉及在接收器处的一些环境噪声记录并收集所述数据以分析噪声特性。这可以在完井之间的期间通过单次运行数据提取记录工具（data extraction logging tool）来进行。环境噪声特性对于理解非常重要，因为它们将对传输数据的质量和解释产生重大影响。另一个重要的测试是进行频率扫描分析以识别峰值信号频率。这可以在更受控制的设置中完成，并且可以预先识别最佳值，以便可以提前校准系统。最后，可以基于所有智能压裂塞对之间的逐位（bitwise）数据传输的噪声特性来控制信号调制。最近的一些实验工作表明，这种传输可能有可能达到几百米的距离。图12示出了用于埋管的发送的比特流和接收的信号的示例。具体地，图12示出了带通滤波的500Hz AM调制信号。在这种情况下，发射器-接收器距离是130英尺。在传输之前，必须调制数据（幅度调制）并且必须进行有基础的测试以获得井筒的衰减特性。在下一个智能压裂塞的接收器处接收的信号必须以足够高的频率被采样以满足奈奎斯特判据（Nyquist criterion）。

在本发明的一个实施例中，可以在未来的井中取回和部署智能塞。

因此，本发明提供了一种智能压裂塞组件，用于在水力压裂过程中收集数据。该系统与线缆或管道输送数据记录器和其他相关的记录/处理系统一起使用时，提供地表下的压力、温度、以及任何观察到的速度和/或加速度场的直接测量。

应当理解，出于说明的目的给出的前述实施方案的细节不应解释为限制本发明的范围。尽管上面仅详细描述了本发明的几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在示例性实施例中可以进行许多修改而不实质上脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改旨在包括在本发明的范围内，本发明的范围由所附权利要求及其所有等同物限定。此外，应该认识到，可以设想许多实施例不能实现一些实施例的所有优点，特别是优选实施例的所有优点，但是不存在特定优点不应被解释为必然意味着这样的实施例在本发明的范围之外。