本发明涉及通过在页岩地层中进行水力压裂来提取烃，并且更具体地说，涉及一种沿完井的排管长度在井段处测定经烃填充的天然裂缝，即甜点(sweetspot)的存在的方法。
为了满足我们的能源需求，如今对所谓的非常规资源越来越关注。因此，已研发出技术以对来自低渗透率次表面地层，诸如页岩、泥灰岩、粉砂岩等的烃产量进行增产。在典型配置中，提供水平支脚来使井钻穿盖岩下的已知页岩地层。随后沿排管长度在井段处对井进行打孔并且加以增产。通过在打孔的井段处在高速率和压力下将水、化学品和支撑剂的混合物泵送于地层中来进行增产。这一压裂作业的目标在于使岩石中的天然裂缝打开。支撑剂(砂石、陶瓷、经涂布的树脂或其它等等)的作用是当完成增产时，使裂缝保持打开。在典型的井中，可存在高达50个经打孔和增产的井段，其中井段相隔高达100m(30段可被视为平均值)。
在增产过程中，如果经烃填充的天然存在的裂缝存在于井段处，那么可以对这些裂缝进行开采。然而，每一井段的产量可大不相同。这部分归因于以下事实：尽管可以通过测井在井筒壁处鉴别到裂缝迹线，但此类测井并未表明裂缝的侧向延伸部分，并且侧向延伸部分会决定烃的开采量。目前估算出约50％的经增产的井段开采不出任何烃，主要是因为所述井段处缺乏具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然存在的裂缝。
据估算，用于进行压裂作业以对每一井段进行增产的化学品和支撑剂的成本为约25,000usd。因此，在40个井段处对单个井进行增产会花费运营商约一百万美元的生产成本。这表示对每一井来说，所估算的钻探(三百万美元)和增产(三百万美元)成本相当大。如果半数井段开采不出烃，那么会浪费掉五十万美元成本而提供不了回报。这可相当于完井成本的约20％到30％。
本发明的一个目标在于提供一种在完井中的井段处测定具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在的方法，以使得在不存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的情况下，作业可移到另一个井段，以节省进行将不产生烃产物的压裂作业的时间和成本。
根据本发明的第一方面，提供一种在井中测定具有大量侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在的方法，其中通过水力压裂进行增产为待进行的，所述方法包含以下步骤：
(a)在进行预期压裂作业之前在第一井段处暴露地层，以第一速率将第一流体泵送于井中；
(b)以第一数据采集速率采集压力响应迹线；
(c)根据压力响应迹线测定第一井段处具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在；
其特征在于：
(d)第一速率小于预期压裂作业的泵速率；和
(e)第一数据采集速率高于预期压裂作业的数据采集速率。
通过以低泵速率、高数据采集速率收集压力响应数据，可在压力响应迹线中鉴别出特征性要素，其指示存在或不存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝。这些天然裂缝将以足以为烃开采提供大容量裂缝体积的距离从井筒行进到地层中。
优选地，所述方法包括以下步骤：当鉴别不到具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝时，中止预期压裂作业并且堵住第一井段。通过这种方式，进行无烃开采压裂作业的成本和时间得到节省。
或者，所述方法包括以下步骤：当具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝被鉴别为存在时，进行预期压裂作业。通过这种方式，将已知压裂作业会开采出烃。
优选地，在位于井口处的测计处采集压力响应迹线。此外，优选地，通过井口处的测计测量第一速率。通过这种方式，由于通常在井口处测得压力和速率，因此所述方法仅需要在井口测计处采集在较高频率下获得的数据并且因此不需要其它井干预，相较于其，进行预期压裂作业需要所述井干预。
优选地，压力响应迹线包含一个或多个特征性要素，特征性要素的存在和组合用于测定在第一井段处存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝。
优选地，以第一速率通过高压精确低速率泵泵送第一流体。这将需要使用专业化泵，因为当前用于压裂作业的那些泵无法以所需的高压精确低速率运作。然而，与压裂作业通常所需的30到50个泵相比，将仅需要一个或两个泵。
优选地，第一速率小于10bpm(桶/分钟)。第一速率可小于2bpm。更优选地，第一速率小于1bpm。通过这种方式，在泵送时地层不会遇到震动并且压力响应迹线将提供来自地层的响应的更精确指示。压裂作业的泵速率通常在50到200bpm范围内，因为其意图震动地层以打开裂缝。
优选地，第一数据采集速率在1hz下。以此方式，可每秒采集压力响应迹线上的数据点。更优选地，数据采集速率在1与10hz之间。数据采集速率可在10与100hz之间。由于大多数测计目前是数字式的，因此此类数据采集速率是可用的，但并不基于将在行业中通常所用的时间范围内收集到的过量数据使用。
优选地，第一速率保持恒定持续给定时间段。时间段经优选设定以获得足够长度的迹线以显示特征性要素，同时将泵送于井中的流体体积限定在优选10与100桶之间。
优选地，所述方法包括以下步骤：在第一井段处在暴露地层的任一侧上测定分隔物质量。优选地，这一步骤通过分析压力响应迹线来测定。通过这种方式，可测定分隔物，即通常经打孔以暴露地层的水泥的质量以验证其具有足够好的质量来维持预期压裂作业。
优选地，沿井的排管长度在其它井段处重复所述方法。
因此，附图和描述应被视为在本质上是说明性而非限制性的。此外，本文中所使用的术语和措词仅仅用于描述性目的并且不应被理解为限制范畴，如包括、包含、具有、含有或涉及和其变体的语言意图为广义的并且涵盖列于其后的标的物、等效物和未列举的其它标的物，并且不意图排除其它添加物、组分、整数或步骤。同样地，出于适用的法律目的，术语包含被认为与术语包括或含有同义。对于文献、动作、材料、装置、物品等的任何论述仅出于为本发明提供背景的目的而包括在本说明书中。未基于与本发明相关的领域中的公共常识建议或表示任何或全部这些事物形成现有技术的一部分。本发明中的全部数值理解为由“约”加以修饰。本文所述的要素或任何其它组分的全部单数形式理解为包括其复数形式且反之亦然。
尽管说明书将提到上(up)和下(down)以及最上(uppermost)和最下(lowermost)，但这些应理解为与井筒有关的相对术语，并且井筒的倾角，尽管在一些图式中以垂直显示，但可为倾斜的。这在水平井领域中，尤其对于页岩地层来说为已知的。
现将参照附图仅借助于实例描述本发明实施例，在所述附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的方法的流程图；
图2是根据现有技术通过水力压裂来增产井的示意性图示；
图3是在其中进行本发明方法的井的示意性图示；
图4是压力对本发明方法之后喷射流体的累计体积的压力响应迹线；
图5是在井的井段上获得的压力响应迹线，所述井鉴别为不存在甜点并且在所述井段处不存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝；
图6是在井的井段上获得的压力响应迹线，所述井鉴别为存在甜点并且在所述井段处存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝；并且
图7(a)和(b)是展示井段处(a)良好和(b)不良分隔物的压力响应迹线。
参考图1，展示根据本发明的一个实施例，提供用于在井14中测定具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝12的存在的方法的流程图，一般通过参考数字10表示，如图2中所示，其中通过水力压裂16来进行增产。
在图2中，展示根据现有技术通过水力压裂16增产的井14。以常规方式将井14从地面18钻探穿过地层20。显示井14具有初始垂直井筒22，其钻经淡水保护层24和盖岩26而抵达经鉴别的页岩地层28。随后水平钻探井筒22以达到页岩地层28的最大可用体积。在完成井14时，导管30将插入到页岩地层28处的井眼36中，导管30被粘结在适当位置以在导管的外表面32与井眼36的内表面34之间产生呈水泥护套形式的分隔物。在地面18处将存在井口38，其提供用于出入井筒22的管道。
完成井14时，选择第一井段40。第一井段40通常处于排管长度44的远端42处。对第一井段40进行打孔以在页岩地层28和导管30的内侧46之间提供接入。地层28的所述暴露使得可进行压裂作业48。
在本文中的描述中，我们将设想一种完井，在所述完井中，导管粘结在适当位置以提供经打孔而暴露地层的水泥护套。所属领域的技术人员将认识到，存在提供使地层暴露于开采导管的管道的替代性方式的其它可用完成方法。也可采用外部封隔器来使每一井段和开采区与其相邻井段和开采区分离。可通过打开阀门或移动滑套以暴露开采尾管(即打孔尾管)的槽形部分来暴露地层，从而允许流体在井段处的地层与开采导管的内管道之间通过。
在典型的压裂作业48中，以相对较高初始速率，比如10bpm喷射水或呈凝胶形式的稠化水。以约20bpm的梯级斜升泵送速率以获得100到200bpm的最大泵送速率。这一阶梯式方法用于震动地层并且打开天然裂缝。在这一高泵送速率下，随后将支撑剂添加到水中以填充裂缝，保持其打开以进行开采。支撑剂是砂石或工程陶瓷颗粒，其经大小设定而提供支撑同时还允许烃，即页岩油和/或页岩气流动。当泵压力用完时继续泵送直到供给的支撑剂耗尽或发生脱砂为止。
压裂作业48之后，随后堵住54第一井段40以阻挡接入地层28。随后对第二井段52进行打孔。第二井段52与第一井段40隔开(100m可为典型分隔距离)，并且位于第一井段40的下游。
以相同方式在第二井段52上进行压裂作业48并且沿排管长度44通过在后续井段上进行压裂作业来重复堵塞，随后打孔和增产的过程。尽管仅数个井段展示在图2中，但30到40个井段更为常见，以确保最大程度地提取可用烃。
在所述过程结束时，随后打开整个井以进行开采。泵送流体会被回采，之后是烃流。
如图2中所指示，由每一井段开采的烃50的量大不相同。所属领域的技术人员已知的是，高达50％的井段将开采不出任何烃50。
这意味着要浪费掉50％的支撑剂和化学品的产品成本。就典型的北美井(northamericanwell)来说，这表示约20％的完井成本。实际上，由于必须将水引入场所用于压裂作业，因此在每一压裂作业和处理和掺合支撑剂、在不具开采性的井段上进行水力压裂所耗费的时间会浪费掉完井成本的30％。
我们可替代性地设想，如果可以发现一种鉴别具有具备足够的侧向范围的经烃填充的天然裂缝的井段的方法以允许开采出大量将来烃，那么这一浪费可得到节省并且井的完井成本可减小约30％。
再次参考图1，在此显示的是说明这的根据本发明的方法。在井段40处暴露地层58时，进行测试56，其提供在井段40中是否存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝12的指示。如果应答为‘是’60，那么在移动到下一个井段之前，可如所计划进行预期压裂作业48。如果测试56给出应答‘否’62，那么中止预期压裂作业。因此，进行将开采不出任何烃的压裂作业的时间和成本会得到节省。
贯穿井14的排管长度在下一个井段52等上重复测试56，其中当应答为‘是’56时，对每一井段进行打孔并且堵住，并且当应答为‘否’时，仅将所述井段堵住。当测试最后一个井段并且在应答为‘是’60的情况下进行压裂作业48时，可通过如所规划的已知技术开采井。
在井14处进行测试56的要求展示在图3中。这个图是图2的简化版本并且为了清楚起见，相同部件被给定相同参考数字。在图3中，井14显示为与单一井段40完全垂直，但应意识到，井14在实践中可实际上为水平的。尺寸同样变化很大以突出重要的相关区域。以传统方式钻探井14，所述方式提供壳体66以支撑井眼36穿过盖岩26的长度而到达页岩地层28的位置。所属领域的技术人员已知的标准技术将用于鉴别页岩地层28的位置并且用于测定井14的特性。
开采导管74定位穿过套管66和导管30(呈开采尾管(productionliner)形式)，由尾管悬挂器72悬挂在开采导管74的底部76处并且在井眼36中延伸穿过页岩地层28。开采封隔器68在开采导管74与套管66之间提供密封，防止流体流经其间的环形区70。将水泥泵送到开采尾管30的外表面82与打开的井眼36的内壁84之间的环形区80中。这一水泥在环形区80中形成水泥护套78。当全部就位时，穿过开采尾管30和水泥护套78产生穿孔86以使地层28暴露于开采尾管30的内管道88。以标准技术形式进行这一切，以在页岩地层28中钻探和完成井14。
在地面18处，存在标准井口38。井口38提供用于使流体(如烃)从井14通过的管道(未图示)。井口38还提供用于由泵92喷射流体的管道90。测计94位于井口38上并且由单元96控制，所述单元96还从测计94采集数据。测计94包括温度计、压力计和速率计。井口38处的所有这些地面组件都是标准的。
在本发明中，泵92是高压精确低速率泵。需要精确度以将所需低速率，即小于1bpm的流体通过管道90施配到完井筒36中。应意识到，井的体积可使针对多个泵的要求成为必需以确保足够的泵速率。当需要低泵速率时，预期将需要不超过两个泵。在测试56完成后，如果需要压裂作业48，那么泵92将切换为多个高压高速率泵。
测计94可为标准测计，但对于本发明来说，压力计必须能够以高采集速率记录数据。这一速率将为至少1hz，以使得数据点可以每秒至少一个点的速率得到收集。由于大多数测计目前是数字式的，因此这可仅需要增加测计采集频率。单元96可本地收集数据并且将这一数据传输到操作平台(未图示)，在所述操作平台处可对数据进行分析。
除了需要高压精确低速率泵之外，测试56可在不进行井14的钻探和完井所需的任何变化并且不进行任何干预的情况下进行。
因此，在使用时，参考图1和3，在已对井段40进行打孔以暴露58地层28后，以低第一流动速率98将流体泵送于井筒36中。流体将优选为水但也可为如可在场所获得的稠化水(凝胶)并且用于预期压裂作业48的初始步骤。通过这种方式，测试56不需要其它特殊流体。当将流体泵送于井筒36中时，在单元96处采集由压力和速率测计94测得的压力100和累计体积102。这一数据提供压力响应迹线104。
选择第一流体流动速率98处于比用于预期压裂作业48的流动速率要低得多的值下。通常，第一流体流动速率98将小于1或2bpm。预期压裂作业48的流动速率更通常为20到200bpm。将流体流动速率维持在第一流动速率98下持续一定时间段。所选时间足以获得用于分析的合适迹线104并且将累计体积102限于10与100bbl(桶)之间。在1hz的数据采集速率下记录压力100。这会每秒提供一个数据点。在预期压裂作业48中，数据采集速率更通常以5分钟时间间隔记录数据，但一些系统可以5秒时间间隔记录。
参考图4，展示在井14上在井段40处进行的测试56的例示性压力响应迹线104，在所述井14中预期进行压裂作业48。迹线104为井口38处记录的压力100对喷射的第一流体的累计体积102的曲线图。根据测计94处的速率测量结果测定累计体积102。假定不存在摩擦损失，考虑到所用低喷射速率，所述不存在摩擦损失是合理的。
极低泵速率和高数据采集速率的组合提供显示一系列斜度s1到si106的压力响应迹线104，伴随可能的拐点108和/或突降110。在图4的迹线104中，此处为初始斜度s1，106a。随后看见拐点108a，其界定第一压力值plot112。拐点108a产生第二斜度s2，106b，其梯度并非与s1，106a一样陡峭。在第二斜度s2106b的末端处，具有突降110a，其中突降110a开始处的压力值界定第二压力值pbd114。随后存在增加压力的另一第三斜度s3106c，其结束于拐点108b处而得到另一斜度s4106d。可能存在其它斜度si，其中每一斜度具有小于前一斜度的梯度。看到最后一个突降110b，其表示泵92切断并且测试56完成。
斜度106、拐点108、突降110以及第一和第二压力值112、114被视为迹线104的特征性要素。尽管迹线104显示全部特征性要素，但应了解，这些要素的存在或不存在可用于解释，其位置和值同样可用于解释。另外，已针对井14解释的一些已知参数的值同样用于分析。
在分析中，鉴别特征性要素并进行比较。首先对使用斜度s1计算的压缩体积与已知井体积进行比较。同样在第一压力值plot与预期最小水平应力之间进行比较。将通过突降展示的存在或不存在第二压力值pbd考虑在内。测定第一压力值plot之前存在或不存在拐点。还评估后续斜度s2到si的数量和梯度。这些参数的组合和分析提供关于甜点是否已被打孔和经烃填充的天然裂缝是否存在于井段中的指示。还可测定水泥护套是否具有足够的良好质量来维持预期压裂作业。
简单分析显示指示存在甜点的特征性要素是提供第二斜度s2的plot下的初始拐点，不存在衰减，即pbd下的突降和梯度为零的一系列斜度，即斜度为水平的。突降和第二压力值pbd以及具有下降但非零梯度的斜度的存在指示缺乏甜点。
参考图5，展示来自井14的井段40的压力响应迹线104，其中不存在经烃填充的天然裂缝的甜点。为了清楚起见，与图4的部分相同的部分已被给定相同参考数字。在这一井14中，第一流体泵速率为1bpm并且数据采集速率为1hz。响应104显示一系列五个斜度s1到s5，106a-e。由使用斜度s1计算的压缩体积与已知井体积组成的比较产生1:1相关度，存在展示衰减的极为突然的下降110a和明显的第二压力值pbd114，并且斜度s1到s5，106a-e是一系列降低的梯度，直到其在泵送停止116所处的点下为水平的为止。因此，这些特征的分析组合表明不存在甜点并且不存在经烃填充的天然裂缝。在这种情况下，应中止预期压裂作业以节省产品和时间。井段应被堵住并且开始下一个井段的打孔。
在替代方案中，我们参考图6，其展示来自井14的井段40的压力响应迹线104，在所述井段中存在甜点。为了清楚起见，与图4的部分相同的部分已被给定相同参考数字。在这一井段40中，第一流体泵速率为0.34bpm并且数据采集速率为1hz。响应104显示一系列至少七个斜度s1到s7，106a-g。由使用斜度s1计算的压缩体积与已知的井体积组成的比较产生1:1.5相关度，不存在pbd并且斜度s1到s7显示一系列平坦特性，即梯度接近于零。从这我们得出结论，存在甜点并且具有足够的侧向延伸部分的天然裂缝存在于所述井段中。
另外，可重新分析水平斜度的数量和其相应压力以获得在井段处遇到的裂缝族突降的指示。
压力响应迹线104还可用于指示分隔物，即水泥护套、外部封隔器等的质量。借助于图7(a)和(b)进行最佳展示。在图7(a)中，显示压力响应迹线104的第一部分。为了清楚起见，与先前图式部分相同的部分已被给定相同参考数字。在图7(a)中，压力响应迹线104沿直线呈斜度106a到达拐点108a，其指示迹线104中在plot112周围处的非线性。由于使用斜度s1计算的压缩体积与已知的井体积的比较产生大于或等于一的相关度并且拐点108a在plot112周围，如所预期，这会提供分隔物具有经受住预期压裂作业48的足够好的质量的指示。
相比之下，参考图7(b)，其中为了清楚起见，相同部分同样具有与先前图式相同的参考数字。图7(b)上的迹线104以具有斜度106a的直线形式开始，表明压缩体积与井体积的相关度大于或等于一。然而，在达到plot112的压力之前，存在衰减114，并且之后的第二斜度106b具有显著大于一的相关度。这指示突然的经加压的体积增大和分隔物完好性丧失。在这种情况下，迹线104显示不良水泥作业或出现封隔器旁通(packer-by-pass)。
返回到图1，所述方法10展示测试56在标准井14中的使用，其中通过水力压裂16来进行增产。伴随如图3中所示的完井14，页岩地层28暴露58在井段40处。随后进行测试56。以低第一速率120泵送第一流体并且通过井口38处的测计94以高采集速率122采集压力响应迹线140。分析118迹线140以测定124井段40中具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在。参照图4到6描述分析118。
在测定124中，如果应答为‘是’60，那么在井段40中存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝12，随后如所计划进行预期压裂作业48。如果测试56产生‘否’62的应答，那么预测不存在甜点并且不存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝12，随后不进行预期压裂作业。因此时间和材料在不进行压裂作业的同时得到节省。
堵住54井段40，并且如果其不是(126)最后一个井段128，那么移动到下一个井段52进行作业。随后针对下一个井段52重复方法10并且可针对井14中的所需数量的井段加以重复。在最后一个井段128处，开采64烃50。
当从图1顶部朝向图1底部进行方法10时，每一步骤将产生时间和成本。因此，能够在是/否决定框60、62之后中止方法会消除进行压裂作业48的时间和成本。如对于所属领域中技术人员已知的，具有多个井段的典型井在这些井段中可有50％不含具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝12，并且因此，在通过方法10的半数循环中，时间和成本会通过知晓‘否’62测试56结果而得到节省。压裂作业48、堵塞54和打孔井段以暴露地层58，以及烃50的开采64都与现有技术中进行的那些步骤相同，如参照图2所述。
应注意，本发明方法10被设计成以以下速率将流体泵送于井中，所述速率不会震动井筒但仅获得对压力波之初始响应。为了测量穿过诱发和/或天然裂缝的喷射区域周围的流量(是或否)而选择压力和速率。
本发明的主要优点在于提供一种在井中测定具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在的方法，其中通过水力压裂进行增产为待进行的以防止当井段中不存在此类裂缝时还需要进行压裂作业。
本发明的另一个优点在于提供一种在井中测定具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在的方法，其中通过水力压裂进行的增产为待进行的，其可使完井成本降低高达30％。
本发明的又一个优点在于提供一种在井中测定具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的存在的方法，其中通过水力压裂进行增产为待进行的，其不需要其它专业化化学品或井干预。
可以在不脱离本发明范畴的情况下对本文中所描述的本发明进行修改。举例来说，应了解，一些图式是以理想化形式显示并且压力响应迹线的解释可需要价值判断以便提供存在具有足够的侧向延伸部分的经烃填充的天然裂缝的测定。