DE69911636T2

DE69911636T2 - Azimutsteuerung von senkrechten hydraulischen frakturen in lockeren und schwachen böden und sedimenten

Info

Publication number: DE69911636T2
Application number: DE69911636T
Authority: DE
Inventors: Grant Hocking; Samuel Wells
Original assignee: GeoSierra LLC
Current assignee: GeoSierra LLC
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: DE69927531T2; US6443227B1; EP1131534B1; ATE250715T1; WO2000029716A2; DK1296019T3; EP1131534A2; US6330914B1; US6216783B1; EP1296019B1; DE69927531D1; EP1296019A1; AU1731600A; ATE305562T1; DE69911636D1; WO2000029716A3; DK1131534T3

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Bauen von unterirdischen Strukturen durch Injizieren eines Brechfluids zum Brechen von unterirdischen Formationen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines senkrechten Bruchs, der in einem bestimmten Azimut ausgerichtet ist, in ungefestigten und schwach zementierten Böden und Sedimenten, die zu unterirdischen Einschlusswänden und/oder Behandlungsbarrieren führen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Unterirdische Konstruktionen werden installiert, um verschiedene ökologische, geotechnische und ölbohrtechnische Funktionen auszuführen. Bei ökologischen und geotechnischen Anwendungen werden Einschlusswände und Behandlungsbarrieren gewöhnlich so installiert, dass sie von der Bodenoberfläche zu einer unterirdischen Zone verlaufen. In diesen Anwendungen können die Einschlusswände Flussbegrenzungswände beinhalten, die den Fluss von unterirdischen Flüssigkeiten dämmen, sowie Behandlungsbarrieren, die mit reaktionsfähigem Material gefüllte permeable Zonen sind. In vielen Fällen muss der Bauprozess viele Meter unter die Erdoberfläche vordringen, bevor er eine unterirdische Zone erreicht, die eine Konstruktion wie z. B. eine Einschlusswand oder eine Behandlungsbarriere erfordert. Beispiele für im Stand der Technik ausgeführte Bautechniken sind Spundwände, Schlammwände, verstrebte Ausgrabungen und kontinuierliche Gräben.
Derzeitige Bautechniken, die zum Installieren der obigen Einschlusswände und Behandlungsbarrieren erforderlich sind, haben einige übliche Probleme gemeinsam, z. B. die Notwendigkeit, unterirdische Versorgungseinrichtungen umzuverlegen, potentielle Strukturschäden an existierenden Gebäuden und Konstruktionen, potentiell große Gerüstflächen für Baugeräte, kostspielige Spezialgeräte. In vielen Fällen müssen kontaminierte Böden und Flüssigkeiten, die bei der Ausgrabung entstanden sind, abgeführt und ordnungsgemäß entsorgt werden. Die meisten der obigen Beispiele haben, ob aus ökologischen oder technischen Gründen, eine maximale Wand- oder Barrierentiefe, die es möglicherweise nicht zulässt, dass ein Projekt abgeschlossen oder auch nur begonnen wird.
Wenden wir uns nun dem Stand der Technik zu. Hydraulische Frakturierungen von unterirdischen Erdformationen zum Stimulieren der Produktion von Kohlenwasserstofffluiden aus unterirdischen Formationen werden seit mehr als fünfzig Jahren in vielen Teilen der Welt durchgeführt. Die Erde wird hydraulisch entweder durch Perforationen in einem mit einem Mantelrohr umschlossenen Bohrloch oder in einem isolierten Abschnitt eines offenen Bohrlochs frakturiert. Die horizontale und vertikale Ausrichtung der hydraulischen Fraktur richtet sich nach dem Druckbelastungsregime in der Erde und der Struktur der Formation. Es ist in der Technik der Felsmechanik bekannt, dass ein Bruch in einer Ebene lotrecht zu der Richtung der geringsten Belastung auftritt (siehe US-Patent Nr. 4,271,696 von Wood). In einer erheblichen Tiefe ist eine der horizontalen Belastungen im Allgemeinen auf einem Minimum, was zur Folge hat, dass der hydraulische Frakturierungsprozess eine vertikale Bruchstelle bildet. Es ist in der Technik auch bekannt, dass der Azimut der senkrechten Bruchstelle durch die Ausrichtung der minimalen horizontalen Belastung bestimmt wird.
In geringen Tiefen könnten die horizontalen Belastungen kleiner oder größer sein als die vertikale Abraumschichtbelastung. Wenn die horizontalen Belastungen geringer sind als die vertikale Abraumschichtbelastung, dann entstehen vertikale Bruchstellen, während dann, wenn die horizontalen Belastungen größer sind als die vertikale Abraumschichtbelastung, eine horizontale Bruchstelle durch den hydraulischen Frakturierungsprozess gebildet wird.
Techniken zum Induzieren einer bevorzugten horizontalen Ausrichtung der Bruchstelle von einem Bohrloch sind gut bekannt. Zu solchen Techniken gehören Schlitzen, entweder durch einen Gas- oder Fluidstrahl unter Druck, um eine horizontale Kerbe in einem offenen Bohrloch zu bilden. Solche Techniken werden häufig in der Erdöl- und Umweltindustrie eingesetzt. Die Schlitztechnik ist beim Herstellen einer horizontalen Bruchstelle zufriedenstellend, unter der Voraussetzung, dass die horizontalen Belastungen höher sind als die vertikale Abraumschichtbelastung, oder dass die Erdformation eine ausreichende horizontale Schichtung oder Struktur hat, um zu gewährleisten, dass sich der Bruch weiter in horizontaler Ebene ausbreitet. Perforationen in einer horizontalen Ebene zum Induzieren eines horizontalen Bruchs von einem mit einem Mantelrohr umgebenen Bohrloch wurden offenbart, aber solche Perforationen induzieren vorzugsweise keine horizontalen Brüche in Formationen mit niedrigen horizontalen Belastungen (siehe US-Patent Nr. 5,002,431 von Heymans).
Es wurden verschiedene Mittel zum Erzeugen von vertikalen Schlitzen in einem von einem Mantelrohr umgebenen Bohrloch offenbart. Der Stand der Technik erkennt, dass eine Kettensäge zum Schlitzen des Mantelrohres eingesetzt werden kann (siehe US-Patent Nr. 1,789,993 von Switzer; US-Patent Nr. 2,178,554 von Bowie et al., US-Patent Nr. 3,225,828 von Wisenbaker; und US-Patent Nr. 4,119,151 von Smith). Auch das Installieren eines vorgeschlitzten oder geschwächten Mantelrohres ist im Stand der Technik als Alternative zum Perforieren des Mantelrohres offenbart (siehe US-Patent Nr. 5,103,911 von Heijnen). Auch das Schwächen des Bohrlochrohrs axial entlang von zwei Linien 180 Grad voneinander durch Fräsen, Schneiden oder mit Sprengmitteln (US-Patent Nr. 3,280,913 von Smith) zum Bilden von Schlitzen im Mantelrohr und in der das Mantelrohr umgebenden Zementhülle (US-Patent 2,952,319 von Popham) sowie das Erzeugen von linearen Durchbrüchen in Bohrlochmantelrohren durch lineare Ladungen, die in das Bohrlochmantelrohr abgesenkt werden (US-Patent Nr. 5,564,499 von Willis). Diese Verfahren des Standes der Technik befassten sich nicht mit der Azimutausrichtung von zwei gegenüberliegenden Schlitzen zum bevorzugten Einleiten einer vertikalen hydraulischen Fraktur in einer bestimmten Azimutausrichtung. Es wird in der Technik allgemein akzeptiert, dass die Bruchazimutausrichtung mit solchen Mitteln nicht kontrolliert werden kann. Diese Verfahren waren eine Alternative zum Perforieren des Mantelrohres, um eine bessere Verbindung zwischen dem Bohrloch und der umgebenden Formation zu erzielen.
In der Technik der hydraulischen Frakturierung von unterirdischen Erdformationen von unterirdischen Bohrlöchern in der Tiefe ist es hinlänglich bekannt, dass die Druckbelastungen der Erde im Bereich der Fluidinjektion in die Formation gewöhnlich zur Erzeugung einer vertikalen "zweiflügeligen" Konstruktion führen. Diese "Flügel"-Konstruktion verläuft im Allgemeinen seitlich vom Bohrloch in entgegengesetzten Richtungen und in einer Ebene allgemein normal zur minimalen horizontalen In-situ-Druckbelastung. Dieser Frakturtyp ist in der Erdölindustrie hinlänglich als der bekannt, der dann auftritt, wenn ein unter Druck stehendes Brechfluid, gewöhnlich ein Gemisch aus Wasser und einem Geliermittel zusammen mit einem bestimmten Stützmittel, von einem Bohrloch, das ein Mantelrohr hat oder auch nicht, in die Formation injiziert wird. Solche Brüche verlaufen radial sowie vertikal, bis der Bruch auf eine Zone oder Schicht von Erdmaterial trifft, die sich unter einer höheren Druckbelastung befindet oder stark genug ist, um eine weitere Bruchausbreitung ohne erhöhten Injektionsdruck zu hemmen.
Es ist in der Technik auch hinlänglich bekannt, dass der Azimut des vertikalen hydraulischen Bruchs durch das Belastungsregime bestimmt wird, wobei der Azimut des vertikalen hydraulischen Bruchs lotrecht zur Richtung der minimalen horizontalen Belastung verläuft. Versuche, einen vertikalen hydraulischen Bruch in einer bevorzugten Azimutrichtung einzuleiten und auszubreiten, waren bisher erfolglos, und man ist weithin der Ansicht, dass der Azimut eines vertikalen hydraulischen Bruchs nur durch Änderungen des Belastungsregimes der Erde variiert werden kann. Eine solche Änderung des lokalen Belastungsregimes der Erde wurde in Erdölreservoirs beobachtet, die einem erheblichen Injektionsdruck ausgesetzt sind, sowie während des Abzugs von Fluiden, was zu lokalen Azimutveränderungen bei vertikalen hydraulischen Brüchen führte.
Es wurden Methoden unter Anwendung des spezifischen Multi-Array-Bohrlochwiderstands unter Verwendung mehrerer Elektroden eingesetzt, um Daten über statische Unterschichten zu sammeln (siehe US-Patent Nr. 4,875,015 von Ward). Die Ermittlung der hydraulischen Bruchgeometrie, wie z. B. horizontale oder vertikale Ausrichtung, Azimut und Länge des vertikalen Bruchs, sowie Ausmaß und Tiefe eines horizontalen Bruchs, können anhand der Messung von Erdneigungen mit Hilfe von herkömmlichen, auf der Oberfläche oder im Bohrloch montierten biaxialen Neigungsmessgeräten durchgeführt werden (siehe US-Patent Nr. 4,271,696 von Wood). Hochempfindliche elektronische Neigungsmessgeräte, die Neigungen von weniger als 10⁷ Radians messen können, messen die Verformung der Erde aufgrund der Öffnung und Ausbreitung eines hydraulischen Bruchs. Durch eine Echtzeit-Überwachung dieser Neigungen zusammen mit dem Fluss von injiziertem Fluid kann die Geometrie des hydraulischen Bruchs ermittelt werden (siehe US-Patent Nr. 4,271,696 und Nr. 4,353,244 von Wood). Einflussfunktionen, die die Öffnung eines Bruchs auf die Bodenverformung beziehen, können zum Berechnen der Bruchgeometrie verwendet werden. Wie im US-Patent Nr. 5,002,431 von Heymans vorgeschlagen, kann die Bruchgeometrie anhand der Messung von Neigungen und Echtzeit-Computersteuerung ermittelt und kontrolliert werden. Heymans gibt nicht an, wie die Bruchgeometrie ermittelt werden kann, und Heymans offenbart auch nicht, wie die Interaktion von Bodenneigungen von mehreren Frakturen zum Ermitteln der Bruchgeometrie gelöst werden kann.
Das Verfahren zum Ermitteln der Geometrie des hydraulischen Bruchs, wie im US-Patent Nr. 4,353,244 von Wood offenbart, hat eine Reihe von Mängeln. Wenn (a) der Bruch nicht planar ist, (b) wenn der Bruch nicht die volle eingeleitete Höhe hat, oder (c) wenn mehrere Brüche in unmittelbarer Nähe zueinander eingeleitet werden, dann ist die Ermittlung der Bruchgeometrie nicht sichergestellt.
Demgemäß besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Regeln der Azimutausrichtung eines vertikalen hydraulischen Bruchs in Formationen von ungefestigten und schwach zementierten Sedimenten und Böden.
Es besteht ferner Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Überwachen und Berechnen der Ausbreitung des Azimuts von vertikalen hydraulischen Brüchen in Echtzeit.
Darüber hinaus besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Erzeugen und Regeln von koaleszierten, überlappenden und verbundenen Frakturen zum Bilden einer Behandlungsbarriere oder einer Einschlusswand, die von einem Brechfluid gebildet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dehnen der Erde mit verschiedenen Mitteln von einem Bohrloch oder einer eingetriebenen Lanze zum Anstoßen und Kontrollieren der Azimutausrichtung eines vertikalen hydraulischen Bruchs in Formationen von ungefestigten und schwach zementierten Sedimenten. Der Bruch wird durch präferentielles Dehnen der Erde orthogonal zur gewünschten Azimutrichtung eingeleitet. Diese Dehnung der Erde kann auf eine Reihe verschiedener Weisen erzeugt werden: ein eingetriebener Spaten zum Dehnen des Bodens orthogonal zur benötigten Azimutrichtung, Packer, die den Boden orthogonal zur benötigten Azimutrichtung aufblasen und vorzugsweise dehnen, Unterdrucksetzen eines zuvor geschwächten Mantelrohres, dessen Sollbruchlinien mit der benötigten Azimutausrichtung übereinstimmen, Unterdrucksetzen eines Mantelrohres mit gegenüberliegenden Schlitzen, die entlang der gewünschten Azimutrichtung geschnitten wurden, oder Unterdrucksetzen eines "zweiflügeligen" künstlichen vertikalen Bruchs, der durch Schneiden oder Schlitzen des Mantelrohres, Verguss und/oder Formation in der gewünschten Azimutausrichtung erzeugt wurde.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung über das Einleiten von vertikalen Brüchen mit einem vorbestimmten Azimut ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Ausbreitung der Brüche entlang des vorbestimmten Azimuts bereit. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Ermittlung von Einflussfaktoren, die sich auf die Verformung der Erde zur Öffnung eines Elementarbruchs beziehen.
Unter Anwendung allgemein akzeptierter Grundsätze der Elastizitätstheorie können Einflussfunktionen wie z. B. die Green'schen Funktionen auf das Problem angewendet werden (siehe "Hydrodynamics" von H. Lamb, 4. Ausgabe, Cambridge (1916), und "Treatise on Mathematical Theories of Elasticity" von A.E.H. Love, 4. Ausgabe, Dover Publications (1944)). Wenn eine Serie von Green'schen Funktionen durch Beziehen von inkrementalen Messungen der induzierten Spannung oder Verformung der Erde mit der geometrischen Veränderung in einem eingeleiteten Bruch gelöst werden kann, dann kann eine sequentielle inkrementale Lösung ermittelt werden. Mit einer Reihe von sequentiellen inkrementalen Lösungen kann ein Umkehrmodell für einen bestimmten Typ von Boden- und Sedimentformation oder für eine spezifische Formation erstellt werden. Die Geometrie des Bruchs kann dann während des Injektionsprozesses mit einer Reihe von sequentiellen inkrementalen Lösungsberechnungen unter Verwendung des Umkehrmodells errechnet werden. Unter Verwendung von gemessenen Bodenneigungen oder gemessenen induzierten Spannungen nach dem Elektrifizieren des Bruchfluids überwacht der Benutzer den injizierten Fluss des injizierten Fluids, um die In-situ-Geometrie des Bruchs während des Injektionsprozesses zu bestimmen und zu regeln.
So wird durch Beziehen der gemessenen inkrementalen Bodenneigungen oder der gemessenen induzierten Spannungen zum Bewirken einer inkrementalen Änderung der Bruchgeometrie, beschränkt durch das inkrementale Volumen von injiziertem Fluid in jeden Bruch, die inkrementale Veränderung der Geometrie jedes Bruchs dadurch gefunden, dass die Differenzen in den errechneten und gemessenen inkrementalen Neigungen oder induzierten Spannungen minimiert werden. Der wesentliche Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik besteht darin, dass die sequentielle inkrementale Lösung zum Bestimmen inkrementaler Bruchgeometrieveränderungen während der Ausbreitung des Bruchs genutzt wird. Ein solches Verfahren ergibt die Bruchgeometrie zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Injektionsprozesses. Ohne ein sequentielles inkrementales Lösungsverfahren zum Ermitteln der In-situ-Bruchgeometrie ist das Gleichungssystem schlecht definiert, und eine große Palette verschiedener Bruchgeometrien kann passen oder dasselbe Neigungsfeld ergeben.
Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung ermitteln die Bruchgeometrie anhand des aktiven spezifischen Widerstandes nach dem Einleiten eines hydraulischen Bruchs unter Bodenbedingungen mit mäßigem bis hohem Widerstand. Das Brechfluid ist elektrisch leitend und wird mit einer Wechselstromquelle, gewöhnlich einer Niederspannungsquelle von 100 Hz, elektrisch erregt. Echtzeitinstrumente überwachen Widerstandsempfänger auf an und unter der Oberfläche induzierte Spannungen des 100 Hz Signals aufgrund des erregten Brechfluids im sich ausbreitenden Bruch. An und unter der Oberfläche induzierte Spannungen werden aufgezeichnet. Anhand potentieller Einflussfunktionen der induzierten Spannung in der Erde aufgrund eines elektrifizierten Elementarbruchs und anhand eines inkrementalen Umkehrmodells, das durch das inkrementale Volumen von injiziertem Fluid beschränkt ist, wird die Bruchgeometrie in Echtzeit während des Injektionsprozesses bestimmt.
Das aktive Widerstandsverfahren zum Überwachen der Bruchgeometrie verlangt, dass das Brechfluid wenigstens zwanzig Mal stärker leitet als die umgebende Erde, um ein scharfes Signal und einen hohen Kontrast zwischen Bruch und Umgebungsmedium zu gewährleisten. In diesem Fall lässt sich der erregte Bruch näherungsweise als elektrifizierte Platte bestimmen, und es können potentielle Einflussfunktionen der induzierten Spannungen der Erde anhand eines elektrifizierten Elementarbruchs formuliert werden. Das Brechfluid kann durch Zugabe von löslichen Salzen oder durch die Wahl eines geeigneten Brechfluids mit hoher Leitfähigkeit leitend gemacht werden. Brechfluide, die für dieses Verfahren und diese Vorrichtung geeignet sind, können ein auf Wasser basierendes Guar-Gum-Gel für eine permeable Behandlungsbarriere und einen Bentonitzementschlamm für eine impermeable Einschlussbarriere umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt.
Aus einer Echtzeitüberwachung der induzierten Spannungen der Erde aufgrund des sich ausbreitenden elektrifizierten Bruches sowie aufgrund des Flusses von injiziertem Fluid in den Bruch kann die Geometrie des Bruchs ermittelt werden. Einflussfunktionen beziehen die induzierte Spannung der Erde auf die Ausbreitung eines elektrifizierten Elementarbruchs. Durch Lösen des Umkehrproblems von gemessenen inkrementalen induzierten Spannungen zum Bewirken einer inkrementalen Bruchgeometrieveränderung, die durch das inkrementale Volumen von injiziertem Fluid in jeden Bruch begrenzt wird, lässt sich die inkrementale Geometrieveränderung jedes Bruchs durch Minimieren der Differenzen zwischen den errechneten und gemessenen inkrementalen induzierten Spannungen finden.
Wenn der eingeleitete hydraulische Bruch relativ tief ist, dann werden Bohrloch-Widerstandsempfänger verwendet, um ein hochpräzises Bild des erregten Bruchs zu erhalten. Eine aktive Überwachung des spezifischen Widerstands hat den zusätzlichen Vorteil, dass ermittelt wird, wann individuelle Brüche koaleszieren und somit elektrisch verbunden werden. Das heißt, durch Erregen des Brechfluids in jedem injizierten Bohrloch einzeln und aufeinander abgestimmt, kann die elektrische Koaleszenz mehrerer Brüche von verschiedenen Bohrlöchern deutlich aufgezeichnet und beobachtet werden. Die Abbildung und Beobachtung der Bohrlochwiderstandsdaten konzentriert sich auf die Quantifizierung der Kontinuität der Brüche und die Beurteilung der Bruchkontinuität, um zu ermitteln, ob Löcher oder Spalte vorhanden sind. Durch eine solche Überwachung können Bauprozeduren modifiziert werden, um zu gewährleisten, dass die hydraulischen Brüche nach Plan installiert werden, und sie erlaubt eine sofortige Implementierung von Abhilfemaßnahmen, z. B. einen zusätzlichen Bruch, um ein Loch abzudecken, oder zusätzliche Injektionsvolumen, um Koaleszenz oder ausreichende Überlappung zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bauen von unterirdischen Konstruktionen mit Einschlusswänden oder Behandlungsbarrieren durch Injizieren eines Flüssigschlamms in (einen) Azimut-geregelte(n) hydraulische(n) Bruch/Brüche, um ein kontinuierliches oder überlappendes System von Brüchen herzustellen. Durch Einleiten und Ausbreiten von Azimut-ausgerichteten vertikalen hydraulischen Brüchen von einer Reihe von Bohrlöchern, die in der benötigten Azimutrichtung ausgerichtet sind, werden koaleszierte und überlappende Brüche erzeugt, um eine aus dem Brechfluid bestehende Einschlusswand oder Behandlungsbarriere zu bilden. Der Vorgang des Überwachens und Berechnens der In-situ-Geometrie des Bruchs während des Injektionsprozesses ermöglicht die Ermittlung, wann die Injektion gestoppt oder wann sie fortgesetzt wird, um die benötigte Form, das benötigte Ausmaß, die Koaleszenz oder den Überlappungsgrad der Azimut-ausgerichteten vertikalen hydraulischen Brüche zu erzielen.
Das zum Bilden der Einschlusswände und Behandlungsbarrieren in den vertikalen Brüchen verwendete Brechfluid dient zwei Zwecken. Zunächst muss das Brechfluid so formuliert werden, dass es den Bruch in der unterirdischen Formation einleitet und ausbreitet. In dieser Hinsicht hat das Brechfluid bestimmte Attribute. Das Brechfluid darf nicht in die Formation abfließen, das Brechfluid muss mit minimalem Rückstand sauber brechen, und das Brechfluid muss einen niedrigen Reibungskoeffizienten haben.
Zweitens bildet das Brechfluid nach dem Injizieren in den Bruch die Einschlusswand oder die Behandlungsbarriere. In dieser Hinsicht umfasst das Brechfluid ein Stützmittel, das die Integrität für eine Einschlusswand oder die aktive Komponente für eine Behandlungsbarriere erzeugt. Solche Stützmittel für Einschlusswände können beispielsweise Perlit in einem Bentonitzementschlamm beinhalten. Solche Stützmittel für Behandlungsbarrieren können beispielsweise Eisenspäne beinhalten. Die Stützmittel werden so gewählt und formuliert, dass der beabsichtigte Zweck für die Einschlusswand oder die Behandlungsbarriere erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nur auf Formationen von ungefestigten und schwach zementierten Sedimenten und Böden mit niedriger Kohäsionsfestigkeit im Vergleich zur vertikalen Abraumschichtbelastung anwendbar, die in der Tiefe des hydraulischen Bruchs vorherrscht. Eine niedrige Kohäsionsfestigkeit wird hierin als der grössere Wert von entweder 200 psi (lbs pro Quadratzoll) oder 25% der gesamten vertikalen Abraumschichtbelastung definiert. Das Verfahren ist nicht auf gefestigte Felsformationen anwendbar, in denen der Bruchazimut durch das Belastungsregime der Felsformation bestimmt wird.
Die vorliegende Erfindung sieht zwar die Formation von Brüchen vor, die allgemein lateral von einem vertikalen oder nahezu vertikalen Bohrloch weg verlaufen, das in eine Erdformation eindringt, und in eine allgemein vertikale Ebene in entgegengesetzten Richtungen von dem Bohrloch, d. h. ein vertikal zweiflügeliger Bruch, aber die Fachperson wird erkennen, dass die Erfindung auch in Erdformationen ausgeführt werden kann, in denen die Brüche und die Bohrlöcher in anderen Richtungen als in vertikaler Richtung verlaufen können.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1–15 bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf zwei Injektionsbohrlochmantelrohre, die die Soll-Mittellinie der Bruchwand veranschaulichen, bevor die Azimut-geregelten vertikalen hydraulischen Brüche eingeleitet werden;
2 ist eine Querschnittsseitenansicht der in 1 gezeigten installierten Injektionsbohrlochmantelrohre;
3 ist eine vergrößerte Draufsicht auf ein einzelnes Injektionsbohrlochmantelrohr gemäß den 1 und 2 vor dem Bruch;
4 ist eine vergrößerte Draufsicht auf ein einzelnes Injektionsbohrlochmantelrohr mit einem Schlitz durch die Injektionsfutterrohrwand und die Vergussmasse vor dem Bruch, wobei der Schlitz auf die Sollmittellinie der Bruchwand ausgerichtet ist;
5 ist eine Querschnittsseitenansicht eines einzelnen Injektionsbohrlochmantelrohres vor dem Bruch, wobei die Länge eines senkrechten Schlitzes dargestellt ist;
6 ist eine vergrößerte Draufsicht auf ein einzelnes Injektionsbohrlochmantelrohr während der anfänglichen Ausbreitung des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs;
7 ist eine Querschnittsseitenansicht von zwei Injektionsmantelrohren mit geflügelten Anstoßabschnitten der Injektionsmantelrohrkonstruktion zum Einleiten des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs;
8 ist ein Draufsichtdetail von Herstellung und Installation der Flügelanstoßabschnitte der Injektionsmantelrohrkonstruktion vor dem Einleiten des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs;
9 ist ein Draufsichtdetail des Anstoßes eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs von einem Flügelanstoßabschnitt der Injektionsmantelrohrkonstruktion;
10 ist eine Draufsicht auf ein einzelnes Injektionsbohrlochmantelrohr mit den Orten der vertikal installierten Sensorarrays zum Erfassen des spezifischen Widerstands, parallel und versetzt zur Sollmittellinie des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs, der noch nicht eingeleitet wurde;
11 ist eine Querschnittsseitenansicht, die Konstruktionsdetail und -anordnung einer Sensorarray zum Erfassen des spezifischen Widerstands zeigt;
12 ist eine Querschnittsseitenansicht einer einzelnen Sensorarray zum Erfassen des spezifischen Widerstands, die die Orte von einzelnen Widerstandsempfängern zeigt; 13 ist eine Querschnittsseitenansicht des Anfangs eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs, auf 11 gelegt;
14 ist eine Querschnittsseitenansicht der endgültigen Sollgeometrie eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs, auf 11 gelegt;
15 ist die visuelle Anzeige einer Anordnung von einzelnen Widerstandsempfängern in einer Bodenformation vor dem Einleiten eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs unter der Oberfläche;
16 ist die visuelle Anzeige der gemessenen Spannungen der einzelnen Widerstandsempfänger gegenüber den Hintergrundreferenzspannungen zum Illustrieren der Ausbreitung eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs unter der Oberfläche.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER OFFENBARTEN AUSGESTALTUNG
Nachfolgend werden mehrere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beschrieben und in den Begleitzeichnungen illustriert. Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einleiten und Ausbreiten eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs in unterirdischen Formationen von ungefestigten und schwach zementierten Böden und Sedimenten. Ferner beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln und Überwachen der Brucheinleitung, -ausbreitung und Geometrie eines vertikalen Bruchs.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, illustrieren die 1, 2 und 3 den anfänglichen Aufbau des Verfahrens und der Vorrichtung. Konventionelle Bohrlöcher 5 und 5' mit Achsen 12 und 12' werden mit einem Bohr-, Waschrotations- oder Seilwerkzeug in die Formation 6 von ungefestigten oder schwach zementierten Böden und Sedimenten bis zu einer bestimmten Tiefe 9 unterhalb der Bodenoberfläche 4 auf der vorbestimmten Bruchlinie oder -ebene 3 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs gefertigt. Die Bohrebene 3 verläuft radial von Achse 12 zu Achse 12'. Injektionsmantelrohre 1 und 2 werden bis zur vorbestimmten Tiefe 9 installiert und durch Eingeben einer Vergussmasse 7 vervollständigt, die den ringförmigen Raum zwischen der Außenseite der Injektionsmantelrohre 1 und 2 und den Bohrlöchern 5 und 5' vollständig füllt. Injektionsmantelrohre 1 und 2 müssen aus einem Material gebaut sein, das die Drücke aushalten kann, die das Brechfluid auf die Innenseite der Injektionsmantelrohre 1 und 2 während der Unterdrucksetzung des Brechfluids ausübt. Die Vergussmasse 7 kann von einem beliebigen herkömmlichen Material sein, das den Abstand zwischen der Außenseite der Injektionsmantelrohre 1 und 2 und den Bohrlöchern 5 und 5' während des Frakturierungsverfahrens aufrecht erhält, vorzugsweise eine schrumpflose oder schrumpfarme Vergussmasse auf Zementbasis.
Die Außenfläche der Injektionsfutterrohre 1 und 2 sollte so aufgeraut oder hergestellt sein, dass sich die Vergussmasse 7 mit den Injektionsfutterrohren 1 und 2 mit einer Mindestfestigkeit bindet, die gleich dem Bohrlochdruck ist, der zum Einleiten eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs notwendig ist. Die Bindungsfestigkeit der Vergussmasse 7 mit der Außenfläche der Mantelrohre 1 und 2 verhindert einen Kurzschluss von dem unter Druck stehenden Brechfluid entlang der Grenzfläche zwischen Mantelrohr und Vergussmasse bis zur Erdoberfläche 4.
Gemäß den 4 und 5 kann ein Mantelrohrcutter bis zu einer bestimmten Tiefe 11 in das Injektionsmantelrohr 2 abgesenkt werden, und das Injektionsmantelrohr 2 wird vertikal und parallel zur Bruchebene 3 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs geschnitten. Die laterale Tiefe des in 4 gezeigten Schnitts verläuft vollständig durch die Wand des Injektionsmantelrohres 2 und durch den größten Teil der Vergussmasse 7. Die Länge 10 des vertikalen Schnitts 8 in das Injektionsmantelrohr 2 und die Vergussmasse 7 ist von der benötigten Größe des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs, dem ortsspezifischen Bodentyp 6 und den In-situ-Belastungsbedingungen im Boden 6 abhängig. Die laterale Tiefe des vertikalen Schnitts 8 zum Regeln des Azimuts des vertikalen Bruchs kann verlangen, dass der vertikale Schnitt 8 lateral in den umgebenden Boden 6 verläuft. Wenn diese zusätzliche Tiefe des vertikalen Schnitts 8 notwendig ist, dann wird die resultierende Kerbe im Boden 6 vor dem Einleiten des vertikalen Bruchs offen gehalten.
Gemäß 6 kann nach dem Einleiten des Bruchs mit beliebigen konventionellen Mitteln ein Brechfluid 20 durch das Injektionsmantelrohr 2, den vertikalen Schnitt 8, die Vergussmasse 7 und in den eingeleiteten Bruch 21 injiziert werden, um das Brechfluid 20 unter Druck zu setzen. Die herkömmlichen Mittel können beispielsweise eine Pumpanordnung beinhalten, um das Brechfluid 20 unter den Druck zu setzen, der notwendig ist, um das Brechfluid 20 in den eingeleiteten Bruch 21 zu transportieren, um die Ausbreitung des Bruchs zu unterstützen und um eine unterirdische Einschlusswand oder Behandlungsbarriere zu erzeugen. Für eine erfolgreiche Brucheinleitung und -ausbreitung bis zur gewünschten Größe mit maximalem Abstand der Injektionsmantelrohre 2 soll die bevorzugte Ausgestaltung des Brechfluids 20 die folgenden Charakteristiken haben. Das Brechfluid 20 darf nicht zu stark abfließen oder seine Flüssigfraktion in die benachbarten ungefestigten Böden und Sedimente verlieren. Das Brechfluid 20 soll in der Lage sein, die Feststofffraktion (das Stützmittel) des Brechfluids 20 mit den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu führen, die an den Rändern eines sich entwickelnden Azimut-geregelten vertikalen Bruchs auftreten. Das Brechfluid 20 soll die Funktionseigenschaften für seinen Endzweck wie z. B. Langlebigkeit, Festigkeit, Reaktionsfähigkeit, Permeabilität usw. haben. Das Brechfluid 20 soll wenigstens zwanzig Mal so leitend sein wie die ungefestigten oder schwach zementierten Böden und Sedimente, um einen ausreichenden elektrischen Kontrast für aktive Widerstandsmethoden zum Verfolgen der In-situ-Geometrie des sich ausbreitenden Azimut-geregelten vertikalen Bruchs zu erhalten.
Es können permeable Grundwasserbehandlungsbarrieren mit ausgerichteten vertikalen hydraulischen Brüchen konstruiert werden, die mit einem Brechfluid 20 mit einem Behandlungsstützmittel gefüllt sind. Behandlungsstützmittel können reaktionsfähig, absorptionsfähig oder adsorptionsfähig sein, Präzipitate oder biologisch abbaubar, je nach den vorliegenden Grundwasserkontaminanten. Reaktive Stützmittel können, ohne Begrenzung, folgende beinhalten: Eisenspäne zum Entchloren von chlorierten Lösungsmitteln, z. B. organische Kontaminanten: Trichlorethan (TCE), cis-1,2-Dichlorethan (cDCE), Tetrachlorethen (PCE), 1,1-Dichlorethen (11DCE), 1,1,1 Trichlorethan (111TCA), Chloroform (TCM), Kohlenstofftetrachlorid (CT) und Vinylchlorid (VC). Absorptionsfähige oder adsorptionsfähige Stützmittel können u. a., ohne Begrenzung, folgende sein: aktiviertes Aluminiumoxid, Aktivkohlenstoff und Harze für die Absorption von Metallen, Phosphat, Nitrat, Kohlenwasserstoff usw. Präzipitationsstützmittel umfassen, ohne Begrenzung, folgende: Eisenspäne für Metallpräzipitation sowie Kalk und Schlacke zur Phosphatbeseitigung. Biologisch abbaubare Stützmittel können, ohne Begrenzung, folgende umfassen: Enzyme, Mikroben, Nährstoffe, Wachstumssubstrate usw., um eine In-situ-Biodegradation des jeweiligen Kontaminanten zu erzielen.
Das Brechfluid 20 soll mit dem Stützmittel, der unterirdischen Formation und den Formationsfluids kompatibel sein. Ferner soll das Brechfluid 20 die Viskosität des Stützmittels regeln und das Stützmittel durch den Formationsbruch führen können. Das Brechfluid 20 soll ein effizientes Fluid sein, d. h. mit geringem Abfluss aus dem Bruch in die Formation, soll mit minimalem Rückstand sauber brechen und einen niedrigen Reibungskoeffizienten haben. Das Brechfluid 20 darf nicht zu stark abfließen oder seine Flüssigfraktion in die benachbarte ungefestigte Formation verlieren. Für eine permeable Behandlungsbarriere soll das aus Stärke zusammengesetzte Gel mit minimalem Rückstand zerfallen können und die Eigenschaften des Bruchstützmittels nicht übertragen. Es wird ein Fluid mit niedrigem Reibungskoeffizienten benötigt, um Pumpdruckhöhenverluste im Rohr und im Bohrloch zu reduzieren. Wenn eine für einen hydraulischen Bruch permeable Behandlungsbarriere gewünscht wird, wird gewöhnlich ein Gel mit dem Stützmittel und dem Brechfluid benutzt. Bevorzugte Gele können, ohne Begrenzung, Folgende umfassen: ein auf Wasser basierendes Guar-Gum-Gel, Hydroxypropylguar (HPG), ein natürliches Polymer oder ein auf Zellulose basierendes Gel wie Carboxymethylhydroxyethylzellulose (CMHEC). Das Gel wird im Hinblick auf seinen minimalen Einfluss auf Eigenschaften des Stützmittels gewählt, z. B. Reaktionsvermögen, Absorption usw., und den äußerst niedrigen Gelrückstand in der Behandlungsbarriere, wenn sich das Enzym zersetzt hat.
Das Gel wird im Allgemeinen vernetzt, um eine ausreichend hohe Viskosität zu erzielen, um das Stützmittel zu den Enden des Bruchs zu führen. Crosslinker sind gewöhnlich Metallionen, wie z. B. Borat, Antimon, Zirconium usw., die zwischen den Polymeren fein verteilt sind und eine starke Anziehungskraft zwischen dem Metallion und den Hydroxyl- oder Carboxygruppen erzeugen. Das Gel ist im unvernetzten Zustand wasserlöslich und im vernetzten Zustand wasserunlöslich. Im vernetzten Zustand kann das Gel äußerst viskos sein, wodurch gewährleistet wird, dass das Stützmittel ständig suspendiert bleibt. Ein Enzymbrecher kann zugegeben werden, um das viskose vernetzte Gel kontrollierbar in Wasser und Zucker aufzuspalten. Das Enzym braucht eine Reihe von Tagen, um das Gel zu zersetzen, und nach dem Aufbrechen der Vernetzung und dem Zersetzen des Gels bleibt eine permeable Behandlungswand des Stützmittels im Boden mit minimalem Gelrückstand zurück. Für bestimmte Stützmittel können dem Gel pH-Puffer zugegeben werden, um sicherzustellen, dass der In-situ-pH-Wert des Gels innerhalb eines geeigneten Bereiches für die Enzymaktivität liegt. Salze wie, aber nicht beschränkt auf, Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Kaliumbromid, werden dem Gel zugegeben, um eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit des Gels zum Abbilden der Bruchgeometrie mit dem aktiven Widerstandsverfahren zu erzielen.
Das Brechfluid-Gel-Stützmittelgemisch wird in die Formation eingespritzt und trägt das Stützmittel zu den Enden des Bruchs. Nach der Ausbreitung des Bruchs in dem benötigten lateralen und vertikalen Ausmaß kann es notwendig sein, die bestimmte Bruchdicke unter Anwendung des 'Tip Screen Out'-Verfahrens zu erhöhen. Dieses Verfahren beinhaltet das Modifizieren der Stützmittelbelastung und/oder der Eigenschaften des Brechfluids 20, um eine Stützmittelbrücke an der Bruchspitze zu erzielen. Das Brechfluid 20 wird ferner nach dem Tip Screen Out injiziert, aber anstatt seitlich oder vertikal über den Bruch zu verlaufen, verbreitert das injizierte Fluid den Bruch.
Impermeable Flussbegrenzungswände, die durch gerichtetes vertikales hydraulisches Frakturieren gebaut wurden, bestehen gewöhnlich, ohne Beschränkung, aus Bentonitzementschlämmen mit oder ohne spezielle(n) Zusätze(n) zum Verbessern der Abflussleistung, zum Verzögern der Befestigungszeit und zum Reduzieren von Wasser-Zement-Verhältnissen. Das Bentonit dient als Hauptfilterkuchen-Baumaterial im Brechfluid 20, kann aber auch durch alternative Materialien ersetzt werden, z. B. Silicamehl und Perlit. Im Allgemeinen hat Bentonitzementschlamm eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit für die aktive Widerstandsabbildungstechnik.
Die Dichte des Brechfluids 20 kann durch Erhöhen oder Verringern der Stützmittelbelastung oder durch Modifizieren der Dichte des Stützmittels verändert werden. In vielen Fällen wird die Dichte des Brechfluids 20 so geregelt, dass gewährleistet wird, dass sich der Bruch zunächst nach unten ausbreitet und die benötigte Höhe der geplanten Struktur erzielt. Eine solche abwärtige Bruchausbreitung verlangt, dass die Geldichte gewöhnlich höher ist als 1,25 g/cm³.
Die Viskosität des Brechfluids 20 soll ausreichend hoch sein, um zu gewährleisten, dass das Stützmittel während der Injektion unter die Oberfläche suspendiert bleibt, da sonst dichte Stützmittel absinken oder sich absetzen und leichte Stützmittel schwimmen oder im Brechfluid 20 nach oben steigen. Die benötigte Viskosität des Brechfluids 20 ist vom Dichtekontrast von Stützmittel und Gel sowie vom maximalen Partikeldurchmesser des Stützmittels abhängig. Für Eisenspäne mit mittlerer Korngröße, d. h. mit einer Korngröße ähnlich der eines mittelstarken Sandes, muss die Viskosität des Brechfluids 20 gewöhnlich größer sein als 100 Centipoise bei einer Scherrate von 1/sec.
Gemäß den 4, 5 und 14 wird der Bruch durch Pumpen des Brechfluids 20 mit einem Pumpsystem 104 durch das Injektionsmantelrohr 2, 91 zu dem zuvor geschlitzten Injektionsmantelrohr 2, 91 und der Vergussmasse 7, 106 eingeleitet. Wie am besten in 4 zu sehen ist, übt das Brechfluid 20 bei zunehmendem Druck des Brechfluids 20 laterale Kräfte 19 auf das Innere des Injektionsmantelrohres 2 und das Innere des vertikalen Schnitts 8 aus. Die lateralen Kräfte 19 verlaufen lotrecht zur Bruchebene 3 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs. Gemäß Darstellung trennen sich das Injektionsmantelrohr 2 und die Vergussmasse 7 in der Richtung lotrecht zur Bruchebene 3 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs.
Wie am besten aus 6 ersichtlich ist, wenn der Druck des Brechfluids 20 auf ein Niveau erhöht wird, das die lateralen Erddrücke übersteigt, dann beginnt die Vergussmasse 7, die mit dem Injektionsmantelrohr 2 verbunden ist, sich im benachbarten Boden 6 zu dehnen und eine Trennlinie 21 des Bodens 6 entlang der Bruchebene 3 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs zu bilden. Das Brechfluid 20 füllt schnell die Trennlinie 21 des Bodens 6 im vertikalen Schnitt 8. In dem Injektionsmantelrohr 2 übt das Brechfluid 20 normale Kräfte auf den Boden 6 lotrecht zur Bruchebene 3 aus, die progressiv über die Trennlinie 21 verläuft und sich fortsetzt, um den benötigten Azimut des eingeleiteten Bruchs zu halten. Der Azimut-geregelte vertikale Druck wird durch ständiges Pumpen des Brechfluids 20 erweitert, bis die gewünschte Geometrie erzielt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung zum Einleiten eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs wird auf 7, 8 und 9 verwiesen. Wie am besten aus 7 ersichtlich ist, können konventionelle Bohrlöcher 51 mit einem Bohr-, Waschrotations- oder Seilwerkzeug unterhalb der Bodenoberfläche 57 bis auf die gewünschte Tiefe hergestellt werden. Injektionsmantelrohre 50 zusammen mit Flügelanstoßabschnitten 52, 53, 54, 55 werden in bestimmten Tiefen in den Bohrlöchern 51 installiert. Die Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 können aus demselben Material hergestellt sein wie die Injektionsmantelrohre 50. Die Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 sind parallel und durch die Bruchebene 83 des vorkonstruierten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs ausgerichtet. Die Ausrichtung der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 auf die Bruchebene 83 kann mit einer konventionellen Bohrlochkamera mit einem daran angebrachten Magnetkompass oder mit einem gyroskopischen Bohrlochinstrument durchgeführt werden, bevor die Vergussmasse 56 im ringförmigen Raum zwischen dem Bohrloch 51 und den Injektionsmantelrohren 50 und den Flügelanstoßabschnitten 52, 53, 54, 55 platziert wird. Die Außenfläche der Injektionsmantelrohre 51 und der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 sollten eine aufgeraute oder hergestellte Fläche sein, so dass die Bindung der Vergussmasse 56 größer ist als der Bruchanstoßdruck. Die Position der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 unter der Erdoberfläche ist von den benötigten ortsspezifischen Bodeneigenschaften der In-situ-Geometrie und den In-situ-Bodenbelastungen abhängig.
Die Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 bestehen vorzugsweise aus zwei symmetrischen Hälften 84, 85, wie in 8 und 9 gezeigt ist. Die Konfiguration der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 ist nicht auf die gezeigte Gestalt begrenzt, sondern die gewählte Konfiguration muss es zulassen, dass sich der eingeleitete Bruch lateral in wenigstens zwei entgegengesetzten Richtungen von der Bruchebene 83 der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 weg bewegt. In 8 sind die beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 vor dem Einleiten des Bruchs durch Scherbefestigungsmittel 81 miteinander verbunden, und die beiden symmetrischen Hälften 84, 85 werden mit einer Dichtung 80 abgedichtet. Die Dichtungen 80 und die Scherbefestigungsmittel sind so ausgelegt, dass sie verhindern, dass die Vergussmasse 56 während ihrer Platzierung in das Innere der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 läuft. Ferner sind die Dichtungen 80 und Scherbefestigungsmittel 81 so ausgelegt, dass sie sich während des Frakturanstoßes entlang der Bruchebene 83 der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55, ohne physikalische Schäden an den beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 trennen (s. 9). Jedes Mittel des Verbindens der beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 kann angewendet werden, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Klammern, Kleben oder geschwächte Befestigungsmittel, solange der die beiden symmetrischen Hälften 84, 85 zusammenhaltende Druck höher ist als der Druck der Vergussmasse 56 auf die Außenseite der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55, d. h. dass verhindert wird, dass Vergussmasse 56 in das Innere der Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 läuft. Wenn die Wand und/oder die Barrierengeometrie es erfordert, dass die Brüche von diskreten Bodenzonen 60 im selben Injektionsmantelrohr 50 eingeleitet und ausgebreitet werden, dann können einzelne Flügelanstoßabschnitte 52, 53, 54, 55 oder vertikale Schnitte im Injektionsmantelrohr 50 mit mechanischen oder aufblasbaren Packern 70, 71 vor dem Anstoßen des Bruchs isoliert werden.
7 zeigt zwei Ausgestaltungen des Verfahrens. In der ersten Ausgestaltung auf der rechten Seite wird, wenn die Bodenzone 60 um den unteren Flügelanstoßabschnitt 55 verlangt, dass Bruchanstoß und -ausbreitung unterhalb des oberen Flügelanstoßabschnitts 53 beginnen, ein einzelner Isolationspacker 72 im Injektionsmantelrohr 50 unmittelbar oberhalb des Flügelanstoßabschnittes 55 gesetzt. Das Brechfluid 20 wird vom Pump-/Systembetrieb 104 (siehe 14) in das Druckrohr 59 und durch den einzelnen Isolationspacker 72 gepumpt. Während der Druck des Brechfluids 20 unter dem einzelnen Isolationspacker 72 zunimmt, wird der Azimut-geregelte vertikale Bruch wie zuvor beschrieben eingeleitet und ausgebreitet. Zum Einleiten eines Azimut-geregelten vertikalen Bruchs in der Bodenzone 60 um den Flügelanstoßabschnitt 52 werden obere und untere Isolationspacker 70, 71 im Injektionsmantelrohr 50 positioniert und oberhalb und unterhalb des Flügelanstoßabschnittes 52 gesetzt, wie die Ausgestaltung auf der linken Seite darstellt. Der obere Isolationspacker 70 ist durch ein perforiertes Rohr 74 mit dem unteren Isolationspacker 71 verbunden. Der Boden des unteren Isolationspackers 71 ist mit einem Verschlussstopfen geschlossen, um zu verhindern, dass Brechfluid 20 durch den unteren Isolationspacker 71 fließt. Wenn beide Isolationspacker 70, 71 gesetzt sind, dann wird Brechfluid 20 vom Pump-/Systembetrieb 104 (siehe 14) in ein Druckrohr 59 durch den oberen Isolationspacker 70 gepumpt und tritt aus den Perforationen im perforierten Rohr 74 in den oberen Flügelanstoßabschnitt 52 aus. Wenn der Druck des Brechfluids 20 zwischen den gesetzten oberen und unteren Isolationspackern 70, 71 zunimmt, dann wird der Azimut- geregelte vertikale Bruch wie zuvor beschrieben eingeleitet und ausgebreitet.
Gemäß 9 beginnen, wenn der Druck des Brechfluids 20 auf eine Höhe ansteigt, die die lateralen Erddrücke übersteigt, die beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85, sich entlang der Bruchebene 83 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85 während der Brucheinleitung ohne physikalische Schäden an den beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85 zu trennen. Die Dichtungen 80 und die Scherbefestigungsmittel 81 brechen entlang der Bruchebene 83 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85 während der Brucheinleitung, wie in 9 gezeigt, ohne physikalische Schäden an den beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85. Während des Trennens der beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85 beginnen das Vergussmittel 56, das mit dem Injektionsmantelrohr 50 verbunden ist (siehe 7), und die beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85, den benachbarten Boden 60 zu dehnen und eine Trennlinie 89 des Bodens 60 entlang der Bruchebene 83 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs zu bilden. Das Brechfluid 20 füllt schnell die Trennlinie 89 des Bodens 60 durch den eingeleiteten Bruch. Innerhalb der beiden symmetrischen Hälften 84, 85 der Flügelanstoßabschnitte 84, 85 übt das Brechfluid 20 normale Kräfte 86 auf den Boden 60 lotrecht zur Bruchebene 83 und entgegengesetzt zu den horizontalen Belastungen 87 des Bodens 60 aus. Somit erweitert das Brechfluid 20 progressiv die Trennlinie 89 und behält weiter den benötigten Azimut des eingeleiteten Bruchs bei. Der Azimut-geregelte vertikale Bruch wird dann durch kontinuierliches Pumpen des Brechfluids 20 erweitert, bis die gewünschte Geometrie erzielt ist.
Nach dem Einleiten des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs und um zu ermitteln, wann der Bruch die gewünschte In-situ-Geometrie erreicht hat, können aktive Echtzeit-Widerstandsverfolgungsverfahren oder ein herkömmliches Neigungsmessverfolgungsverfahren angewendet werden. Die 10, 11 und 12 zeigen eine) aktives) Echtzeit-Widerstandsverfolgungsverfahren und -vorrichtung. 10 zeigt eine Draufsicht auf ein einzelnes Injektionsmantelrohr 91. In den meisten Anwendungen würden mehrere Injektionsmantelrohre 91 benötigt, um ein Echtzeitverfolgungsverfahren durchzuführen. Im Allgemeinen befinden sich vertikale Arrays 90 von Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 wie in 12 gezeigt parallel zur Bruchebene 92 des geplanten Azimut-geregelten vertikalen Bruchs, aber die Orte der vertikalen Arrays 90 von Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 sind auf einer oder beiden Seiten versetzt.
11 zeigt sechs Widerstandsempfängerarrays 90 in einer Querschnittsansicht in Bezug auf 10. Jede Array 90 umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Empfängern 110– 133, die wie in 12 gezeigt vertikal verbunden und in Tiefen parallel zum Bohrloch 105 beabstandet sind. Das Injektionsmantelrohr 91 mit dem Flügelanstoßabschnitt 107 ist versetzt und parallel zur Verbindungsebene 92 der vertikalen Widerstandsarrays 90 der Deutlichkeit halber dargestellt. Wie in 12 gezeigt, sind die isolierten Leiter 201, 202, 203, 204 für jeden einzelnen Widerstandsempfänger 115, 121, 127, 133 mit einem in 11 dargestellten Datenerfassungssystem 102 verbunden. Das Datenerfassungssystem 102 besteht aus einem elektronischen Mehrkanal-Umschaltsystem (Multiplexer), einem A/D-Wandler und einem Speichergerät, das die eingehenden Daten speichert. Das Datenerfassungssystem 102 ist mit einem Computer 103 verbunden, auf dem eingehende Daten von einem installierten Softwareprogramm analysiert werden.
Gemäß 12 ist die vertikale Array 90 von Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 in herkömmlichen Bohrlöchern 211 installiert. Die vertikale Array 90 von Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 ist gewöhnlich aus einer Mehrzahl von einzelnen Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 konstruiert. Jeder Widerstandsempfänger 115, 121, 127, 133 besteht aus einem elektrisch leitenden Metall, gewöhnlich Kupfer, und jeder Widerstandsempfänger 115, 121, 127, 133 ist an einem isolierten Leiter 201, 202, 203, 204 angebracht, die durch ein nichtleitendes Rohr oder Tubing 95 zur Bodenoberfläche 93 geführt werden. Die einzelnen Widerstandsempfänger 115, 121, 127, 133 sind nach Bedarf beabstandet und an dem nichtleitenden Rohr oder Tubing 95 befestigt. Der ringförmige Raum zwischen dem Bohrloch 211 und der vertikalen Array 90 von Widerstandsempfängern 115, 121, 127, 133 wird mit sauberem Sand 212 bis auf eine Höhe oberhalb des obersten einzelnen Widerstandsempfängers 115 aufgefüllt. Der Rest des Bohrlochs 211 wird mit einer Oberflächendichtungsmasse 210 gefüllt, die Bentonitton oder eine schrumpffreie oder schrumpfarme Vergussmasse auf Zementbasis umfasst.
Unter Anwendung von Einflussfunktionen wie den Green'schen Funktionen kann das Computersoftwareprogramm inkrementale Messungen der induzierten Spannung der Erde auf die Geometrieveränderung eines elektrisch erregten eingeleiteten Bruches beziehen. Eine Reihe von sequentiellen inkrementalen Lösungen von den Einflussfunktionen kann zum Erzeugen eines Umkehrmodells verwendet werden. Die Geometrie des Bruchs kann während des Injektionsprozesses errechnet werden, indem die Reihe von in das Umkehrmodell integrierten Einflussfunktionen gelöst wird. Mithilfe der gemessenen induzierten Spannungen vom Elektrifizieren des Brechfluids 20 kann der Benutzer den injizierten Fluss des Brechfluids 20 überwachen, um die In-situ-Geometrie des Bruchs während des Injektionsprozesses zu bestimmen und zu regeln.
Der Computer 103 zeigt ein Bild des eingeleiteten und ausgebreiteten Bruchs in Echtzeit an. Die Steuerung des Pumpsystems/Betriebs 104 kann durch Dateneingaben vom Computer 103 realisiert werden.
Zum Erzeugen der Daten wird eine hochfrequente Niederspannungs-Stromversorgung 134 am Injektionsmantelrohr 91 angebracht, die entweder elektrisch leitend oder mit einer elektrisch leitenden Elektrode verbunden sein kann. Die elektrisch leitende Elektrode kann innerhalb des Injektionsmantelrohres 91 platziert werden, so dass das Brechfluid 20, wenn es vom Pumpsystem/-Betrieb 104 in das Injektionsmantelrohr 91 gepumpt wird, die elektrische Spannung empfängt und leitet. Das heißt, das Brechfluid 20 wird durch die elektrische Spannung erregt. Eine Bezugsmasseelektrode 109 wird in die Bodenoberfläche 93 so weit wie praktisch möglich von den vertikalen Arrays 90 und den einzelnen Widerstandsempfängern 110–133 eingetrieben. Die Bezugsmasse kann, ohne Begrenzung, eine unterirdische Elektrode oder ein benachbarter eingeleiteter Bruch sein. Vor dem Einleiten des Azimut-geregelten vertikalen Bruchs wird das Injektionsmantelrohr 91 elektrifiziert. Die Spannungen vom Injektionsmantelrohr 91 zur Bezugsmasseelektrode 109 und von den Widerstandsempfängern 110–133 zur Bezugsmasseelektrode 109 werden gemessen, gespeichert und vom Datenerfassungssystem 102 sowie von Computer und integrierter Software 103 angezeigt. Die gemessenen Spannungen werden dann als Hintergrund verwendet.
Die 15 und 16 zeigen eine visuelle Anzeige der Orte der einzelnen Widerstandsempfänger 200 in einer Bodenformation. 16 zeigt zwei Bohrlöcher 205, 210 in der Anordnung der einzelnen Widerstandsempfänger 200. Die Spannungen der einzelnen Widerstandsempfänger 200 werden im Vergleich zu den Hintergrundreferenzspannungen gemessen, und es wird eine visuelle Anzeige eines sich ausbreitenden Azimut-geregelten vertikalen Bruchs unter der Oberfläche dargestellt.
Schließlich ist zu verstehen, dass die bevorzugte Ausgestaltung nur beispielhaft offenbart wurde und dass andere Modifikationen für die Fachperson offensichtlich sein werden, ohne vom Umfang und Wesen der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Bauen von in einem bestimmten Azimuth ausgerichteten unterirdischen Konstruktionen in einer Formation von ungefestigten und schwach zementierten Böden und Sedimenten, umfassend die folgenden Schritte: Bohren eines Bohrlochs mit einer Achse in der Formation bis zu einer bestimmten Tiefe; Installieren eines Injektionsmantelrohres mit einer Außenfläche in dem Bohrloch in der bestimmten Tiefe, wobei ein ringförmiger Raum zwischen der Außenfläche des Mantelrohrs und dem Bohrloch existiert; Füllen des ringförmigen Raums mit einer Vergussmasse, die sich mit der Außenfläche des Mantelrohrs verbindet; Schwächen des Injektionsmantelrohrs entlang einer vertikalen Sollbruchlinie, die in einer Bruchebene liegt, die von der Achse des Bohrlochs radial entlang des bestimmten Azimuths verläuft; Injizieren eines Brechfluids in das Injektionsmantelrohr mit einem ausreichenden Brechdruck, um das Injektionsmantelrohr, die Vergussmasse und die Formation zu dilatieren und dadurch einen senkrechten Bruch in der Formation an der Sollbruchlinie einzuleiten; gekennzeichnet durch Steuern des Brechfluids auf der Basis einer sequentiellen inkrementalen Lösung, um auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit des Brechfluids inkrementale Änderungen der Bruchgeometrie festzustellen, während sich die Bruchstelle ausbreitet; und Bilden einer wandähnlichen unterirdischen Sperrschicht mit dem sich ausbreitenden Brechfluid, wobei eine solche Sperrschicht während der fortlaufenden Behandlung oder der fortlaufenden Einschließung eines bestimmten Materials, das durch die Formation von unbefestigten und schwach zementierten Böden und Sedimenten in die Sperrschicht permeiert, an ihrem Ort bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Installieren des Injektionsmantelrrohrs den Schritt des Installierens einer Anstoßsektion des Injektionsmantelrohrs in einer bestimmten Tiefe in dem Bohrloch umfasst, wobei die Anstoßsektion entlang der Sollbruchlinie geschwächt ist, so dass sich die Anstoßsektion unter dem Brechdruck löst, so dass das Brechfluid die Vergussmasse und die Formation dilatiert, um den Bruch in der Formation an der Sollbruchlinie einzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Injektion des Brechfluids auf der Basis einer sequentiellen inkrementalen Lösung gesteuert wird, um auf der Basis der gemessenen Leitfähigkeit des Brechfluids inkrementale Änderungen der Bruchgeometrie festzustellen, während sich die Bruchstelle ausbreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Brechfluid wenigstens 20mal leitfähiger ist als die gebrochene Formation.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Brechfluid nicht von der Bruchstelle in die Formation abfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Brechfluid ein Stützmittel umfasst und das Brechfluid das Stützmittel des Brechfluids mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit führen kann.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Stützmittel eine in dem senkrechten Bruch enthaltene Einschließungswand erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Stützmittel eine Behandlungsbarriere mit dem senkrechten Bruch erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Brechfluid sauber mit minimalem Rückstand bricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Brechfluid einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Brechfluid ein Guar-Gum-Gel auf Wasserbasis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Brechfluid ein Guar-Gum-Gel auf Wasserbasis und einen Bentonitzementschlamm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Verfahren ferner das Bilden einer Mehrzahl von Bohrlöchern mit Injektionsmantelrohren darin beinhaltet und eine Mehrzahl von miteinander verbundenen senkrechten Bruchstellen erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Brechfluid ein Stützmittel zum Erzeugen einer kontinuierlichen Einschließungswand erzeugt, die in der verbundenen Mehrzahl von senkrechten Bruchstellen enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Brechfluid ein Stützmittel zum Erzeugen einer kontinuierlichen Behandlungsbarriere erzeugt, die in der verbundenen Mehrzahl von senkrechten Bruchstellen enthalten ist.