CN101184905A - 检测地层流体泄漏的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测自地面延伸并穿透含有流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，其通过对定位在所述封堵井中的收集室进行测井而实现。

Description

检测地层流体泄漏的方法

技术领域

本发明涉及一种检测自地面延伸以穿透含有流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法。

背景技术

近年来越来越注意到使被认为是大气污染物的气体和液体(流体)朝大气中的释放最小化。这样的流体可以包含与水溶液或烃溶液、烃、污染的水、空气传播的粒子等一起或在其中的气体如二氧化碳、轻质烃类、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、卤素等。许多这样的物质天然地存在或在烃生产、不需要的流体的处理等的过程中被注入到地层中。当完成所述生产或处理操作时，用来穿透这些地层的井通常用水泥封堵以防止作为穿透地层的井的泄漏物的这些流体释放到空气、上覆的含水层等中。

从所述井作为二氧化碳注入井/处理井的应用、所述井作为注入井或生产井用于二氧化碳增强的油回收过程的应用等可知，作为原地天然存在二氧化碳的结果，这样的地层可能含有密度小于1(一)的二氧化碳。希望隔离含有二氧化碳的地层使得所述二氧化碳不流到大气中的原因有许多。最通常使用的隔离这些地层的技术是将穿透所述含有二氧化碳的地层的井封堵。最通常用水泥封堵所述井来实现。

持续受到关注的是，水泥封堵或其它封堵材料是否完全封堵所述井和它是否持续阻挡流体如二氧化碳通过井向上流到大气中。如果发生泄漏，泄漏到大气中的源头可以穿过所述水泥封堵或位于其周围，所述水泥封堵将套管胶结在井眼中的适当位置处；或可以穿过套管内的水泥封堵或位于其周围，所述套管通常用于自地面包覆该井到或穿过一层或多层所述含有二氧化碳的地层。长时间地微量流体泄漏可以浸蚀用来密封所述井的水泥，并产生更大的泄漏。

过去许多技术已经用于二氧化碳测定。这些技术包括用于检测在流动气流中二氧化碳的近红外或其它光吸收技术等。但是，这些技术对于检测连续释放的很微量二氧化碳无效。因此，长期以来一直寻找检测封堵井流体泄漏的改进方法。

发明内容

本发明包括一种通过对地层上方的位于封堵井中的收集室进行测井，从而检测含有流体的地层的流体泄漏的方法。

根据本发明，提供一种通过以下步骤检测自地面向下延伸并穿透含流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法：在所述含流体的地层上方形成横跨所述封堵井的横截面的收集室；密封地定位管道，使该管道延伸穿过所述收集室并到达地面；使流体检测设备穿过所述管道和至少部分地穿过所述收集室以检测在所述收集室中的流体。

本发明进一步包括一种检测自地面延伸并穿透含有流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延伸穿过不可渗透区、并由位于所述套管外侧与所述井眼内侧之间的环状空间中的水泥胶结在所述井眼中，所述方法包括：在所述含有流体的地层上方，形成与所述套管内侧和环状空间中的水泥保持流体连通的收集室；密封地定位管道，使该管道延伸穿过所述收集室并到达地面；使流体检测设备穿过所述管道和至少部分地穿过所述收集室以检测在所述收集室中的流体。

本发明还包括一种检测自地面向下延伸并穿透含流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述方法包括：在所述含流体的地层上方横跨所述封堵井的横截面形成收集室；定位盖构件，使该盖构件横跨所述收集室的上端；密封地定位管道，使该管道自地面延伸以有效地啮合所述盖构件；和使流体检测设备穿过在所述盖构件上方的管道以检测在所述收集室中的流体。

在这些实施方案的每一个中，二氧化碳可以是所关注的主要流体。

附图说明

图1是自地面延伸穿过地下含有流体的地层并包括根据本发明的收集区的井眼的示意图；

图2和图3是对穿透含流体的地层的井的封堵方法的备选示意实施方案；

图4是本发明的备选实施方案的示意图；

图5是本发明的另一个实施方案的示意图；

图6是本发明的另一个实施方案的示意图；和

图7是本发明的另一个实施方案的示意图。

本发明的详细说明

在附图说明中，始终使用相同标号指代相同或类似部件。

尽管本发明可以检测许多流体的泄漏，但是二氧化碳是特别关注的污染物。因此，尽管本发明不局限于检测二氧化碳泄漏，但是，除非另外指出，本发明将参照二氧化碳进行论述。

图1中示出了井10，井10包含自地面14延伸穿过覆盖层16并穿透含二氧化碳的地层18的井眼12。井10包括套管20，套管20被水泥22胶结在合适位置且可被用来从地层18产生流体。在图1中，所述套管延伸至井眼12的底部30附近并在所述套管的下端32终止。通常，从地层18回收的流体可以包含单独的烃、与含水流体组合的烃、烃气体、二氧化碳、硫化氢、硫氧化物等。或者，可以使用井10将二氧化碳、水性表面活性剂等注入到地层18中用于回收烃等。或者，二氧化碳或其它流体可以被注入到地层18中用于处理所述二氧化碳或其它流体至选定的限值。

如图1所示，已经将井10封堵以防止二氧化碳从地层18溢出。如所示，通常通过将套管定位在所述井眼中和此后将水泥注入到套管20的外侧28与井眼12的内侧26之间的环状空间24中，从而使用水泥22将套管20定位在井眼12中。该水泥理想地填充在套管20的外侧28与井眼12的内侧26之间的环状空间24中。以该水泥定位的目的是防止流体在套管外侧28与井眼内侧26之间移动。如所示，在地层18中通过穿孔34给井10穿孔，从而在使用井10时允许流体流到地层18中或从其流出。

如所示，已经将井10用水泥22封堵至水泥层的顶部58，水泥层终止在横跨井眼12的横截面形成的收集室38。将所述收集室定位成收集可能从地层18向上流动穿过套管20内的水泥22或沿环状空间24向上流的二氧化碳或其它流体。使这些流体累积在收集室38中，并定期测试所述收集室以确定流体是否已经移动到收集室38中。通过在环状空间24中和在套管20的内侧42与管道40的外侧44之间的第二环状空间60中的另外水泥在收集室38上方密封井10，管道40被定位成从地面14向下穿过井10、穿过收集室38，并延伸到收集室38下方的选定距离36处。管道40在该管道的下端46处终止。

通过本方法的操作，经过选定的时间将可以穿过井10向上迁移的任何流体收集在收集室38中。此后，使流体检测设备向下穿过管道40和穿过收集室38。收集室38下方的空间36理想地允许操作所述流体检测设备。二氧化碳(流体)检测设备可以是许多测井工具，如脉冲中子测井工具，中子测井工具，声波测井工具，具有电线、存储器、井下电池、纤维光学、无线电传送、压力传感、温度或其它数据传送系统的电阻率测井工具中的一种。这样的系统和工具被认为能够检测在收集室38中二氧化碳或其它流体的存在，尤其当使用在室如收集室38中已知的二氧化碳浓度进行校正时。可以使用这些系统的一些或本领域知道的其它系统检测二氧化碳外的流体的存在和任选地检测流体的组成。由于如果在所述收集室上方的水泥不能有效地包含流体，任何流体从所述井向上泄漏通常需要补救，所以关键标准是能检测在所述收集室中任何流体的存在的能力，而不管其组成如何。

理想地，收集室38包括理想地具有不同于构成地层18的物质的组成的粒子物质如砂子、砾石等(未显示出)。当测井仪向上和向下穿过管道40时，这能使测井工具更精确地检测包含所述收集室的区域。用这些技术可以检测二氧化碳或其它流体的存在。由于收集室38被所述收集室上方的水泥密封，所以所述收集室通过浓缩收集室38中任何收集的流体而精确地收集向上移动穿过井10的任何二氧化碳或其它流体。在室38中使用粒子物质还方便测井工具的校正，以检测与使用的具体粒子物质组合的二氧化碳。所使用的粒子物质可以宽范围地变化，如本领域技术人员知道的那样。

在图2和3中，显示了用于封堵地层18的备选方法。在图2中，地层18是穿过地层18的裸眼完井，并已经通过在裸眼区域以及该裸眼区域上方的套管中放置水泥而被封堵。如上面讨论的，已经使用水泥封闭环状空间24。

在图3中，在地层18上已经设置有套筒48，然后将水泥定位在套筒48后面以封闭地层18，然后将水泥定位在套筒48和套管20内。如上面讨论的，事先通常已经用水泥堵塞环状空间24。多种封堵完井被认为对于本领域的技术人员是已知的，并且所有封堵完井都适合用在本发明的方法中。

在图4中，显示了形成收集室38的备选方法，其中所述收集室位于被定位在覆盖层16中的不可渗透地层50中。通过使用该地层，可以设置穿孔52穿过套管20并延伸到不产生流体的地层50中。所述穿孔给从地层18穿过环状空间24向上移动的任何流体提供流路。类似地，穿过在套管20内的水泥向上移动的流体也累积在收集室38中，并如前面讨论的通过在管道40中使用测井工具而被测定。理想地，通过使用制造的横跨管道40的下端46的密封构件或通过将所述下端46定位在套管20内的水泥中，从而密封管道40的下端46。以与图1的相同方式完成图4的二氧化碳检测。图4的另一个差别是使用封隔器54和56将收集区38上方的井10中的水泥进行定位，如本领域技术人员知道的。

在图5中，显示了本发明的另一个实施方案，其中在收集室38上方和下方使用封隔器62和64将水泥定位。使用用于该目的的封隔器对于本领域的技术人员是公知的，并且如结合图1所讨论的，在收集室38中检测二氧化碳。图5显示了在没有套管的井中本发明的方法的应用。

在图6中，显示了本发明的备选实施方案，其中横跨井10的横截面将收集室38定位。收集室38包括漏斗或盖构件66，其被定位成使得在收集室38中收集的较轻组分升至漏斗66的顶部。将漏斗66在其顶端封闭，并与管道44啮合地操作，使得在收集室38中捕获的流体的测井通过管道44的底部和漏斗66的顶部来实现。

在图7中，显示了再一个实施方案，其中将收集室定位在所述套管外侧和所述井眼内侧之间。在该实施方案中，通过钻削等穿透所述套管和在所述井眼中套管周围的水泥，从而形成空穴，由此产生收集室38。然后通过定位套筒68，从所述套管内侧密封地分离所述收集室，从而完成所述收集室，套筒68可以是任何合适的套筒材料、可膨胀的套管材料等。然后所述室收集气体、其它轻质蒸汽、或可以穿过封闭所述套管外侧和所述井眼内侧之间的环状空间的水泥而上升的流体。通过使测井工具向下通过所述套管并穿过所述收集室的区域以确定二氧化碳是否收集在收集室中，可容易地检测二氧化碳的存在。

在图7的实施方案中，在用穿过所述套管定位并延伸至地层18附近的管道在所述收集室中收集流体时，可产生出所述井。可以根据需要移除去所述管道以使测井工具穿过所述套管以确定流体是否收集在室38中。然后可以继续通过管道的生产或注入，或者，当因生产或注入原因而适宜地去除所述管道时，可以对室38进行二氧化碳或其它流体的试验。在任何情况中，该实施方案使得能检测可以从含有流体的地层穿过在所述套管外侧与所述井眼内侧之间的环状空间溢出的流体。应理解的是，在这个和其它实施方案中，不仅可以用井穿透含流体的地层18，而且可以用井穿透产生烃或其它物质或向其注入其它物质的其它地层。换句话说，所述含流体的地层可以位于向其注入流体或从其产生流体的地层的上方、下方或之间。这样的地层特征对本领域的技术人员是熟知的。考虑到目前对大气中二氧化碳的担心，因而能确定二氧化碳是否正从含二氧化碳的地层通过所述环状空间或通过如上述被封堵的井泄漏到大气中将是理想的。

为了检测封堵井的泄漏，可在本发明的范围内设置许多配置。在这样的实施方案中，有必要将收集室定位成阻断流体从地层18穿过井10向上泄漏的所有源。然后通过使用测井系统穿过管道40或穿过管道40的末端44检测这些流体。测井技术例如在油井中通常使用的那些技术对于穿过管道44的测井是有效的。在所述收集室中存在粒子物质能使所述粒子物质可用于产生对在所述收集室中的粒子物质独特的信号。

另外，可以对所述物质进行选择，以在一定程度上充当穿过井10向上产生的流体的吸附剂。如果不怀疑和检测大泄漏，则预期几乎不会进行向上穿过井10的流体的测井检测。所述收集室的应用允许使用测井技术以确定是否发生泄漏和确定泄漏随时间的大小。

如上面讨论的，如本领域技术人员知道的，典型的井可以是完全的裸眼井，即没有套管，和通过管道产生裸眼，或者其它方式。具有套管的完井相对而言几乎没有这样的完井，并且特别地，更经常使用至少部分套管的完井。本发明的方法对每种类型的井都有用，并且要求在流体从地层18向上迁移的流路上横跨井的横截面定位收集室。如本领域技术人员知道的，可以使用多种配置。另外，本领域的技术人员用例如两相胶结、砾石填充、封隔器、外套管封隔器和许多其它已知的胶结和完井技术，可容易地实现上面讨论的配置的完井。

为在井中形成收集室选择的具体方法不被认为构成本发明的一部分，该部分旨在在确定流体是否从在所述收集室下的含有流体的地层溢出中使用所述收集室。

尽管主要强调基于关注地球变暖而具有相当兴趣的二氧化碳泄漏检测讨论了本发明，但是应理解本发明对于检测流体向上穿过井套管内侧或所述套管外侧与所述井眼内侧之间的套管外侧的水泥的迁移同样有用。可以检测并可以从地层向上迁移的流体包括如下物质，例如气体，如轻质烃、二氧化碳、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、卤素等，其单独地或在水性溶液或烃溶液中。其它烃、可以悬浮在流体中的粒子等也可以通过这些区域向上迁移。也可以包括许多其它污染物，一般地，本发明对检测任何这样的可以收集在水泥空隙中的物质的迁移都是有效的。

用已知的油田测井技术，如上文所讨论，可以确定这些物质的组成，特别是关于二氧化碳。可能并不能在所有情况中都能区分如硫化氢与二氧化碳或甲烷与二氧化碳等物质。但是，本发明的主要目的是检测任何流体从地层的迁移。如果任何流体从所述地层向上迁移，则地面的潜在问题是是否发生流体泄漏。明显地，如果烃、水(如果从地层泄漏通常是盐水)、前面提及的任何气态组分等从井眼溢到地面上，则它们会造成环境问题。检测任何这些流体的泄漏是关注和修井或补救注意的原因。如果可以明确地确定在所述收集区上方的水泥正防止这些流体迁移到地面，那么可以不需要进行补救修井。但是，如果流体已经穿过所述水泥向上迁移到所述收集室的水平，则清楚地警告可能必须补救工作以防止流体从所述地层迁移到地面。

本发明对于检测这样的流体泄漏是可操作的，并且在许多情况下可以允许检测所述流体的组成，但是在所有情况下对检测流体的存在都是可操作的。尽管可能更希望知道溢出流体的组成，但是最重要的是实现泄漏流体的检测。

泄漏流体的组成的检测可以确定哪个地层正泄漏流体等。但在其它情况下，一旦已经确定流体正在累积，那么该流体的组成可能是无关紧要的。

尽管已经参考一些优选实施方案描述了本发明，但是要指出描述的实施方案是说明性的，而不是限制性质，在本发明的范围内可以有许多变化和修改。基于优选实施方案的前述说明的评论，许多这样的变化和修改可以认为是明显的，是本领域技术人员所希望的。

Claims (25)

1.一种检测自地面向下延伸并穿透含流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述方法包括：

a)在所述含流体的地层上方形成横跨所述封堵井的横截面的收集室；

b)密封地定位管道，使该管道延伸穿过所述收集室并到达地面；和

c)使流体检测设备穿过所述管道和至少部分穿过所述收集室以检测在所述收集室中的流体。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述井包括井眼，所述井眼中含有自地面延伸穿过所述含流体的地层的套管。

3.如权利要求1所述的方法，其中将所述套管用水泥胶结在所述井眼中的适当位置。

4.如权利要求1所述的方法，其中已经通过用水泥填充在所述含流体的地层上方的至少一部分套管而封堵所述井。

5.如权利要求4所述的方法，其中将在所述套管内侧与所述管道外侧之间的至少一部分环状空间用水泥密封。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述设备是能穿过所述管道检测在所述收集室中的流体的测井系统。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述流体包含二氧化碳。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述设备包含脉冲中子测井系统、中子测井系统、声波测井系统和电阻率测井系统中的至少一种。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述被封堵的井是裸眼井。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述收集室含有粒子物质。

11.一种检测自地面延伸并穿透含有流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延伸穿过不可渗透区并由定位在所述套管外侧与所述井眼内侧之间的环状空间中的水泥胶结在所述井眼中，所述方法包括：

a)在所述含流体的地层上方形成与所述套管内侧和环状空间中的水泥保持流体连通的收集室；

b)密封地定位管道，使该管道延伸穿过所述收集室并到达地面；和

c)使流体检测设备穿过所述管道和至少部分地穿过所述收集室以检测在所述收集室中的流体。

12.如权利要求11所述的方法，其中将所述套管和在所述套管的外侧与所述井眼的内侧之间的环状空间中的水泥穿孔，以提供从所述环状空间到所述收集室的流体连通。

13.如权利要求11所述的方法，其中已经通过用水泥填充在所述含流体的地层上方的至少一部分套管而封堵所述井。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述设备是能穿过所述管道检测在所述收集室中的流体的测井系统。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述流体包含二氧化碳。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述设备包含脉冲中子测井系统、中子测井系统、声波测井系统和电阻率测井系统中的至少一种。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述收集室含有粒子物质。

18.一种检测自地面向下延伸并穿透含流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述方法包括：

a)在所述含流体的地层上方形成横跨所述封堵井的横截面的收集室；

b)定位盖构件，使该盖构件横跨所述收集室的上端；

c)密封地定位管道，使该管道自地面延伸以有效地啮合所述盖构件；和

d)使流体检测设备穿过所述管道并与所述盖构件有效地啮合以检测在所述收集室中的流体。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述井是套管井。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述收集室含有粒子物质。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述流体包含二氧化碳。

22.一种检测自地面延伸并穿透含流体的地层的封堵井的流体泄漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延伸穿过不可渗透区并由定位在所述套管外侧与所述井眼内侧之间的环状空间中的水泥胶结在所述井眼中，所述方法包括：

a)在所述含有流体的地层上方的环状空间中形成收集室；和

b)使流体检测设备穿过所述套管和至少部分地穿过所述收集室以检测在所述收集室中的流体。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述流体包含二氧化碳。

24.一种检测含有流体的地层的流体泄漏的方法，所述方法通过对在所述地层上方定位于所述封堵井中的收集室进行测井而实现。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述流体包含二氧化碳。

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