CN101592584A - 一种估量地质构造的物理参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种估量地质构造的物理参数的方法。一个通过地质构造的井被装配有底部开口的管道，所述管道中充满一流体。另一流体在位于所述管道和所述井壁之间的环形空间中，两种流体在环形空间内呈现出一个界面。所述井中的流体的液压平衡被扰乱且某些数据的变化走向被测量。这些测量数值还通过计算机使用不同组的值对物理参数进行仿真，且其结果被用来估量地质构造。将所述测量数值和仿真数值相比较，以确定出一组最佳数值成为可能。

Description

一种估量地质构造的物理参数的方法

技术领域

本发明涉及底土(subsoil)内各物质(material)层的物理参数的确定。

背景技术

该方法的目的是查明底土各物质层的相关属性，诸如渗透率、孔隙度或者是自然压力。假设要开发底土，那么对于这些属性的认识就非常有用，比如由此提取碳氢化合物。

FR-A-2 747 470文献描述了一种测试地下流体存储腔的密封度的方法。依照这种方法，该存储腔以及可从地表面到达存储腔的井，用两种不能混溶的流体进行填充，两种流体之间的界面被定位在一个所期望的深度。为了模拟这个深度上的渗漏，注入或抽取预订数量的两种流体中的一种。在每次注入或抽取之前和之后，同时测量所述井的顶部的压力，以及界面的位置。然后从这些测量数据中估量得到渗漏流率(leak flow rate)。

这样的一个方法通过估量井的套管鞋(casing shoe)的渗漏流率，使得确定存储腔的密封度成为可能。但这种方法不可能估量出渗漏的位置，或者估量出在给定深度的井的周围物质的物理参数。此外，这种方法也不可能获得井内的多个物质的层的物理参数。

发明内容

本发明的目的是尽量少受这种限制而测算出底土的物理参数。

根据本发明，提供了一种估量地质构造的物理参数的方法，包括以下步骤：

-用一底部开口的管道装配一通过所述地质构造的井；

-用一第一流体填充所述管道和处在所述井内的所述管道周围的一环形空间的底部；

-用至少一种第二流体填充所述环形空间的剩余部分，以便所述多种流体在所述环形空间内呈现一个界面；

-扰动所述井内的多种流体的液压平衡；

-测量在所述井内与所述多种流体的属性相关的参数值的走向；

-通过计算机仿真在所述井内有一液压平衡扰乱时所述多种流体的液压特性，每次仿真对于所述地质构造的物理参数使用一组数值，并产生所述参数值的一仿真走向；

-通过比较所述参数值的所述测量走向和所述仿真走向，以确定对于所述地质构造的物理参数的一组最佳数值。

所述井和它的周围环境承受序列的测试，在测序序列期间进行测量，以及对液压平衡引入扰动，期间包含在井内的流体会经历升压(overpressure)或降压(depressure)，并且因此所述流体会部分渗入周围的岩石层中。诸如管道的内、外压力或流体界面的高度等数值，均可在它们的动态走向中得到测量。

此外，流体向所述地质构造的流动，可以用一模型进行仿真，比如用一种分析模型或有限元模型，该模型考虑所述底土的组成物质的属性，尤其是渗透率(permeability)和/或孔隙度(porosity)。通过对模型的预测的测量的比较，使得利用优化的方法来估量被寻求的参数成为可能，比如利用通常用于数据分析的方法。

因而有可能估量出被所述井所贯通的地质构造的物理参数，因为被测量和被仿真的走向与几组连续测量的序列有关，所述测量的结果是即时累加所形成的。

在本发明的方法的实施例中，如果有必要，也可以采用以下安排中的一个和/或另一个：

-通过调整所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，所述界面被连续地置于不同深度，并且，在每个深度，扰乱所述多个流体的平衡并测量所述参数值的走向；

-通过调整所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，使得所述界面在至少两个深度之间被置换，并且，当所述界面被置换时，扰乱所述多个流体的平衡并测量所述参数值的走向；

-通过调整所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，使得所述界面在至少两个预先确定的深度之间被置换，并测量与所述流体的属性相关的参数值的走向；

-通过注入或者抽取所述管道内和/或所述环形空间内的一预定容量的流体，扰乱所述井内的液压平衡；

-每次仿真包括所述流体向所述地质构造的渗透流率(permeationflow rates)的一个估量，然后一个与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值的仿真走向的估量；

-每次仿真还包括一个基于被估量的渗透流率的、在所述环形空间内所述界面的深度的估量；

-所述第一流体和第二流体是液体；

-所述物理参数包括至少一个有关所述地质构造的物质的至少一层的渗透率和孔隙度的参数；

-所述物理参数包括所述地质构造层的物质的至少一层的自然压力；

-所述第一流体的浓度大于所述第二流体的浓度；

-与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括沿所述环形空间的所述界面的深度；

-与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括一个在所述井的顶部对流体进行注入或抽取时的流率；

-所述井还安装一用于与流体属性相关的所述参数值之一的伺服控制；

-测量序列被连续执行，每个测量序列包括：

·通过调整在所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，对于所述测量序列，将所述界面定位于一预定深度；

·通过注入或者抽取在所述管道或所述环形空间内的一预定容量的流体，来扰乱在所述井内的流体的液压平衡；

-与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括一在所述管道内的压力和一在所述环形空间内的压力；

-在所述井的顶部测量所述压力；

-所述压力之一被视为一参考压力，且每个测量序列至少包括以下步骤：

(a1)置换所述井内的所述界面至一预定位置，

(a2)通过注入一第一容量的流体扰乱所述井内的所述流体的液压平衡，所述参考压力从一初始压力值变化到一最终压力值，

(a3)观察所述压力的变化，

(a4)通过抽取一第二容量的流体使所述井内的流体恢复平衡，所述参考压力大致变化到所述的初始压力值。

-在所述步骤a1中，在各个测量序列下，所述界面被置于不同深度；

-所述地质构造包括被所述井所贯通的多个物质的层，并且，在所述步骤a1中，在各个测量序列下，所述界面被置于面向不同的物质的层。

通过阅读参照以下附图以及对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

附图说明

参考附图：

-图1示出了应用了本发明的方法的井的横断面视图，

-图2a示出了在执行本发明方法的第一实施例过程中，井内的压力变化走向的时间函数，

-图2b示出了在执行与图2a中相同的本发明方法的实施例过程中，井内的界面的深度变化走向的时间函数，

-图3是图1中井道横断面视图的局部放大图，其显示了一物质的层以及与所述物质的层对应的液压数学模型的参数，

-图4示出了一和图1相似的井的横断面视图，显示了井的液压数学模型的其他参数，

-图5a示出了在执行本发明的方法的第二实施例过程中，井内的压力走向的时间函数，

-图5b示出了在执行与图5a中相同的本发明方法的实施例过程中，井内的供应流率走向的时间函数，

-图5c示出了在执行与图5a中相同的本发明方法的实施例过程中，井内的界面的深度走向的时间函数。

在不同的图中，相同的标号代表相同或相似的内容。

具体实施方式

图1示出了井10，由靠近地表面12的一井顶部11a和一井底部11b之间的一钻孔11所形成。图1中示出的所述钻孔11基本上是垂直的，但就偏斜井来说所述钻孔也可以是倾斜的。

包含一个内在金属管的注水泥套管15形成了所述井10的上部10a的内套(internal lining)，其位于所述井顶部11a和一套管端区域16之间，通常称为套管鞋(shoe)。这个套管15基本上是密封(seal-tight)的，使得各种流体或液体能够在所述钻孔11中流通。所述套管鞋16位于距离地表面12深度为z₁的位置上。

在所述套管鞋16的下面，井道10在区域10b内延伸，通常称作裸眼井段(open-hole section)，至所述井底部11b。在该裸眼井段中，所述钻孔11穿过地质构造13，该构造假定包括一连续的N个标记为C₁，C₂到C_n-1的物质层，然后是C_n层。这些物质层通常是岩石，其矿物组分基本上是同质的，考虑到其深度，大于几百米深，例如超过500米。第一层C₁位于所述套管15的下面并且接近该套管。C_n层位于靠近所述井底部11b处。这些物质层被描绘为水平地环绕在钻孔11的周围，当然也可以是其他分布情况。

每一层C_i由一顶部表面和一底部表面所限定。C_i层的底部表面对应于下一层C_i+1层的顶部表面。

在执行本发明的方法过程中，通过已知的底土显像技术，C₁-C_n层的表面的位置可以被确定下来，尤其是在钻出井道10之前，通过地震技术的实施，或是在钻井道10期间，通过测井图(diagraphic)技术的实施。这些技术的使用使得了解形成底土的各层的几何特性成为可能。本发明的方法然后能用于获取形成这些层的岩石或者物质的液压特性的信息。特别地，本发明的方法能够提供形成这些层的物质的不同物理参数的估量。本发明的方法适用N个物质层，所述N可以从一到几十的范围内取值。

每一层C_i可以通过诸如渗透率、孔隙度或自然压力等物理参数来表述。本发明的目的是确定这些物理参数中的至少一个。正如下文中会提及到，由于在所述井10的打钻过程中，考虑到打钻操作周边的岩石属性参考值的可能修改，钻孔11附近的表面效应应被考虑。

最后一层C_n层的底部表面被视为位于所述井底部11b，位于距离地表面12深度为Z₂的位置上。

管道17位于所述井10内，基本上从所述井顶部11a一直到所述井底部11b。一个圆柱形空间18被界定于所述管道17的内部。一个环形空间19被界定于所述井10和管道17的壁之间。

所述环形空间19在所述井顶部11a连接着阀门24、导管25和机泵26，该机泵连着一个载有流体L₁的舱罐27。所述流体L₁从所述井顶部11a至距离地表面12深度为z_i的界面占据着所述环形空间19。

例如，所述流体L₁是一种轻流体，如轻质烃或软水。

位于所述管道17内部的圆柱形空间18在所述井顶部11a连着阀门20、导管21和机汞22，该机泵连着一个载有流体L₂的舱罐23。所述流体L₂占据着从所述井顶部11a到所述井底部11b之间的所述圆柱形空间18，以及从所述井底部11b至深度为z_i的界面间的环形空间19。

例如，所述流体L₂是一种重流体，如泥浆(mud)。

本发明的方法优选地使用两种流体L₁、L₂，但不限于使用两种流体。

在深度Z_i处，一界面34分隔了两种流体L₁、L₂。优选地，流体L₁、L₂不混溶，这样能使两者间存在一个清晰的界面34。

在所述井顶部11a，第一压力传感器28通过导管29和阀门30连接到在上部充满了流体L₁的所述环形空间19。由此使得传感器28在所述井顶部测量所述环形空间19的压力P_ann ^wh成为可能。

类似地，第二压力传感器31通过导管32和阀门33连接到充满了流体L₂的所述圆柱形空间18。由此使得所述传感器31在所述井顶部测量所述管道17中的压力P_tub ^wh成为可能。

这两个在井道顶部的压力传感器形成一个井10的测量手段的实施例，该装置用于获取所述井10内可测量的参数值，但也可设想其他的可能方式。

比如，所述被提议的测量手段的变化例包括：

-第一压力传感器安装在所述管道17的外表面，基本上面对着所述套管末端区域16，即深度z₁处，

-第二压力传感器安装在所述管道17底部的外表面，即大约深度z₂处。

在这种情况下，两个压力传感器在所述井10的环形空间19内，所述第一传感器测量所述流体L₁的压力，所述第二传感器测量所述流体L₂的压力。

另一种可供选择的井道测量手段包括一个界面34的位置传感器，或位于所述环形空间19和圆柱形空间18内的流率传感器。

在其后的说明中，如图1所示，将参考在所述井顶部11a的压力传感器28，31。这可以被理解为任何其他测量手段，尤其是前文已描述的测量手段之一，均可能用于实施本发明的方法。

图2a和图2b示出了在一具体实施例中，压力值P_tub ^wh和压力值P_2nn ^wh之一被作为是参考压力值P_ref，这个压力值的变化走向(趋势)的时间函数，以及相应地，界面34的深度z_i的变化走向的时间函数。

这个序列包括连续步骤(a1)-(a4)，被表示为图2a和图2b间垂直虚线之间的时间。

在所述步骤(a1)中，所述井10中的界面34在深度z_n-1至深度z_n之间置换，深度z_n-1至深度z_n在z₁至z₂之间。

执行所述步骤(a1)：

-要么经机泵26、导管25和阀门24注入置换容量为V_d的流体L₁，与此同时，经机泵22、导管21和阀门20抽取同等容量的流体L₂。在此第一情形下，向所述井底部11b置换所述界面34；

-或者经机泵26、导管25和阀门24抽取置换容量为V_d的流体L₁，与此同时经机泵22、导管21和阀门20注入同等容量的流体L₂。在此第二情形下，向所述井顶部11a置换界面34；

所述置换容量可以用环形空间19的平均部分S_ann来确定。

所述步骤(a1)参照一参考压力执行，这个压力有一初始值P_i，该初始值非常低或者接近于零，并可以被其他压力的变化所控制。所述井基本上处于平衡。因此所述流体在空间18-19之间流通。

在所述步骤(a2)中，所述井内的液压平衡被注入或者抽取容量为V₁的流体所扰乱，所述参考压力从初始值P_i变化到一最终值P_f，如图2a所示。

与所述井的总容量相比，容量V₁很小，只有少许几升，比如少于100升，并且，这个容量的流体是在很短的几秒钟的时间内被注入，比如少于60秒。

所述步骤(a2)可包括通过机泵26、导管25和阀门24的参与，向环形空间19内注入或抽取一预先确定的容量为V₁的流体L₁，或者通过机泵22、导管21和阀门20的参与，向圆柱形空间18内注入或抽取一预先确定的容量为V₁的流体L₂。

通过这种注入或抽取，所述井10内的压力被改变，液压平衡被扰乱。所述流体L₁、L₂开始渗入地质构造13的层中，或者从地质构造13的层中被吸取。

图2a示出了注入流体的情况。在这种情况下，在所述步骤(a2)中，所述井内的压力会增加。

在所述步骤(a3)中，在时间段D’中，当流体L₁、L₂向地质构造13的各个层中渗透、或者从地质构造13的各个层中被吸取时，压力值P_tub ^wh和P_ann ^wh的变化可以被观察。

时间段D’可以小于1小时，有时小于10分钟。这是根据流体L₁和L₂的特性和/或C₁-C_N层的物理参数的数量级来选择的。

时间段D’在在本发明的方法的每个测试序列中可以不相同。图2a显示了两个序列：时间段D’内的一第一步骤(a3)和时间段D”内的一第二步骤(a3)。

在所述井10中压力恢复至所述流体的液压平衡。

在图2a的情况中，这些压力值减小。

被观测的压力值的变化，代表着所有物质的层的特征，以及测量序列重复的历史记录。因此，这些压力值的变化走向是很复杂的。特别地，对单一的重复的观察并不能获取充分准确的某一物质层的物理参数。

在所述步骤(a3)中，所述界面34的深度z_i也在变化，但是由于容量V₁很小，这个变化在图2b中并不能被观察到。

在所述步骤(a4)中，通过抽取或注入容量为V₂的流体，所述井内的流体恢复平衡，与步骤(a2)相反，参考压力值P_ref基本上回到初始值P_i。

接着步骤(a2)的扰动使系统自然地回到平衡状态，可能需要比较长的时间，例如超过1个小时，或甚至超过4个小时。优选地，可通过本方法中的所述步骤(a4)来强行使之回至平衡，以缩短所述步骤(a3)中的时间段D’。

然后，步骤(a1)到(a4)组成的序列可被重复一定数量的次数，图2a-b示出了两次重复。对(a1)-(a4)的序列的重复，使之可能获取大量的测量数据，然后被用于分析以得到C₁-C_N层的物理参数的估量。

优选地，所述界面34在每一次重复中被确定在深度为z_n+1的位置上，该深度z_n+1此区与前一次的重复中的深度z_n不相同。特别地，在连续步骤(a1)中通过选择一个适当的置换容量V_d，有可能使得所述界面34在每一次重复中被定位一不同的层C_i的层面上。

具有一组参数的一数学模型能被用来仿真所述井10的液压特性，以便得到计算量，该计算量的动态走向和与被测量的值相一致。在所示的例子中，压力值P_ann ^wh和P_tub ^wh可被计算出来。

所述数学模型使用一些假定是已知的数值，比如：

-流体L₁、L₂的特性，比如它们的密度ρ₁、ρ₂，动力粘度μ₁、μ₂，或者压缩系数β₁、β₂。

-所述井10的特性，比如深度z₁和z₂、与所述套管15相一致的所述环形空间19的平均部分S_ann、在所述裸眼井段10b的所述环形空间19的平均部分∑、内部圆柱形空间18的一平均部分S_tub。

之前的记录，尤其是地震或测井图的记录，可以被用来了解预先准备了所述井10的地质构造13的特性，比如不同组成的物质的层的深度和厚度。然而这些信息是可选的。也可能在所述数学模型中取任意厚度值来定义层，它也许是非常小的，如只有5米。

所述数学模型也可以使用未知的参数，有关每一个物质的层C_i，尤其是：

-渗透率Kⁱ，以及

-孔隙度φⁱ。

所述地质构造13的物质的层C_i的渗透率，经常被修改到与所述钻孔11的墙壁相接近。所述模型因而可以用表皮(skin)概念来加以补充。然后，如图3所示，除了所述渗透率Kⁱ和孔隙度φⁱ之外，每一物质的层C_i的参数包括：

-表皮的径向厚度δr_s ⁱ，

-表皮中的渗透率K_s ⁱ，

-表皮中的孔隙度φ_s ⁱ。

作为一个变化例，所述表皮可以通过用一个单一的被称之为“表皮”的参数Sⁱ来以简化的方式加以建模，对于每一物质的层C_i，可被定义如下：

$\stackrel{\‾}{S}=\left(\frac{K}{K_s}\right).\mathrm{Log}\left(\frac{r_s}{r_w}\right)$

其中：

-K是所述表皮外的渗透率，

-K_s是所述表皮中的渗透率，

-r_w是所述钻孔11的半径，

- $r_s(=\mathrm{rw}+{\mathrm{\δr}}_s^i)$ 是所述表皮的外部半径。

在所述模型的一个变型中，每一物质的层C_i包括M个标号为j的径向区域，其形成同心环，每个径向区域都有一半径厚度δr_s ⁱ，一渗透率K_j ⁱ和一孔隙度φ_j ⁱ。然而，这种变型很大程度地增加了待确定的参数的数目。

在所有的情况中，所述井10的数学模型是基于所述高出裸眼井段的流体L₁和L₂的每个瞬时时间t的渗透流率Q₁、Q₂的计算的。

随着在所述井顶部11a注入或者抽取流体后所述井内的压力的变化，当对应于其中渗透流率Q₁、Q₂几乎为零时的平衡状态时，所述压力值回到它的初始值。

所述两个渗透流率与所述井的顶部的压力变化的速度按照下列矩阵相关联：

$\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}C& -D\\ -E& F\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{wh}}\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{wh}}\end{array}\right]$

其中：

$C=\frac{\mathrm{\Σ}.A}{({\mathrm{\ρ}}_1^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^{\mathrm{ann}}}{{\mathrm{\ρ}}_1^d}.V_{\mathrm{ann}}.{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{ext}}+\mathrm{\Σ}.(H_d-h).{\mathrm{\β}}_d^{\mathrm{ext}}$

$D=\frac{\mathrm{\Σ}.B}{({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^{\mathrm{ann}}}{{\mathrm{\ρ}}_1^d}.V_{\mathrm{ann}}.({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{int}})+\mathrm{\Σ}.(H_d-h).({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_d^{\mathrm{int}})$

$E=\frac{\mathrm{\Σ}.A}{({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^{\mathrm{tub}}}{{\mathrm{\ρ}}_2^d}.V_{\mathrm{tub}}.({\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{int}})+\mathrm{\Σ}.h.({\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\β}}_d)$

$F=\frac{\mathrm{\Σ}.B}{({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_2^{\mathrm{tub}}}{{\mathrm{\ρ}}_2^d}.V_{\mathrm{tub}}.{\mathrm{\β}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}$

$A=1+{\mathrm{\β}}_2.g.({\mathrm{\ρ}}_2^{\mathrm{tub}}.H_{\mathrm{tub}}-{\mathrm{\ρ}}_2^d.(h-H_{\mathrm{cas}}-H_d-H_{\mathrm{tub}}))$

$B=1+{\mathrm{\β}}_1.g.({\mathrm{\ρ}}_1^{\mathrm{ann}}.H_{\mathrm{cas}}-{\mathrm{\ρ}}_1^d.(H_d-h))$

以及：

-ρ₁ ^d和ρ₂ ^d分别是流体L₁和L₂在所述裸眼井段的深度的密度，

-g是重力加速度，

-ρ₁ ^ann是所述流体L₁在所述环形空间19内的平均密度，

-ρ₂ ^tub是所述流体L₂在所述管道17的平均密度，

-V_ann是所述环形空间19从所述井的顶部11a到套管鞋16的容量，

-V_tub是所述管道17的内部容量(V_tub≈S_tub·H_tub)，

-H_d是所述裸眼井段10b的高度(H_d≈z_2-z₁)，

-h是界面34相对于所述井底部11b的高度(h＝z₂-z_i)

-∑是所述环形空间19在所述裸眼井段10b层的平均部分，

-β₁和β₂是所述流体L₁和L₂各自的压缩系数(compressibilitycoefficient)，

-和

分别是在管道17顶部和环形空间19的压力的变化速度，

-H_cas是所述管套15的高度(H_cas≈z₁)，

-H_tub是所述管道17的高度(H_tub＝H_cas+H_d≈z₂)，

-β_ann ^int，β_ann ^ext，β_tub ^int，β_tub ^ext，β_d ^int，β_d ^ext和β_d是压缩系数。

所述后者的压缩系数组通过所述环形空间和内部空间的弹性变化来计算得出，根据所述压力，也可以根据弹性变化参数进行表示，即管道17的钢、套管15的水泥和地质构造13的岩石的杨氏模量E(Young’s modulus E)和泊松比率v(Poisson’s ratio v)。

β_ann ^int，β_ann ^ext是与所述环形空间有关的压缩系数。

β_tub ^int，β_tub ^ext是与所述管道有关的压缩系数。

β_d ^int，β_d ^ext是与高出所述界面的所述裸眼井段有关的压缩系数。

β_d是与低于所述界面的裸眼井段有关的压缩系数。

考虑这些压缩系数对于获得足够的仿真准确度，特别是获得差错率低于10％的仿真准确度，非常重要。

通过对所述井10进行填满单一粘性流体以执行的实际压缩测试，可用来执行测量以验证通过下面的分析方程计算得到的压缩系数的值，所述方程从弹性变化计算得到，所述单一粘性流体不会进入所述地质构造13中：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{int}}=\frac{2\mathrm{\π}}{S_{\mathrm{ann}}}[\mathrm{\λ}{\left(r_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{int}}\right)}^2+\frac{(1+v_{\mathrm{tub}}){\left(r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}\right)}^2}{E_{\mathrm{tub}}}\frac{[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2-(1-{2v}_{\mathrm{tub}})]}{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2)}]$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{ext}}=\frac{4\mathrm{\π}(1-v_{\mathrm{tub}}^2){\left(r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2}{S_{\mathrm{ann}}{E}_{\mathrm{tub}}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2)}$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{int}}=\frac{2(1+v_{\mathrm{tub}})}{E_{\mathrm{tub}}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2)}[1+(1-{2v}_{\mathrm{tub}}){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2]$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}=\frac{4(1-v_{\mathrm{tub}}^2)}{E_{\mathrm{tub}}}$

${\mathrm{\β}}_d^{\mathrm{int}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}[\frac{(1+v_R^d){\left(r_d\right)}^2}{{2E}_R^d}+\frac{2(1+v_{\mathrm{tub}}){\left(r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}\right)}^2}{E_{\mathrm{tub}}}\frac{[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2-(1-{2v}_{\mathrm{tub}})]}{(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2)}]$

${\mathrm{\β}}_d^{\mathrm{ext}}=\frac{4\mathrm{\π}(1-v_{\mathrm{tub}}^2){\left(r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}\right)}^2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2}{\mathrm{\Σ}{E}_{\mathrm{tub}}(1-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}^2)}$

${\mathrm{\β}}_d=\frac{2(1+v_R^d)}{E_R^d}$

其中：

- ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tub}}=r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{int}}/r_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{ext}}$

-r_tub ^int和r_tub ^ext是所述管道17的内、外半径值，

-r_ann ^int是所述管套15的内部半径，

-r_d是所述裸眼井段10b的半径，

-E_tub和V_tub是所述管道17的材料的弹性参数，即管道17的杨氏模量E_tub和泊松比V_tub，

-E_R ^d和v_R ^d是所述地质构造13在所述裸眼井段10b的物质的弹性参数，即所述裸眼井段10b的杨氏模量E_R ^d和泊松比v_R ^d。

$\mathrm{\λ}=\frac{E_R^d{a}_{12}+(1+v_R^d)a_{22}}{E_R^d{a}_{11}+(1+v_R^d)a_{21}}$

a_ij是矩阵积[A_c]·[A₁]的组成部分，所述矩阵[A_c]使所述环管套15周围的水泥的径向位移和径向应力两者联系起来，矩阵[A₁]使所述管套15的管道的径向位移和径向应力两者联系起来。所述固体环内的弹性关系可以用来建立下列方程，其对于标号为j的环有效：

$\left[A_j\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1-{2v}_j+{\mathrm{\τ}}_j^2}{2(1-v_j)}& \frac{(1+v_j)(1-{2v}_j)(1-{\mathrm{\τ}}_j^2)}{{2E}_j(1-v_j)}\\ \frac{(1-{\mathrm{\τ}}_j^2)E_j}{2(1-v_j^2)}& \frac{1+(1-{2v}_j){\mathrm{\τ}}_j^2}{2(1-v_j)}\end{array}\right]$

其中：

${\mathrm{\τ}}_j=r_j^{\mathrm{int}}/r_j^{\mathrm{ext}},$

-r_j ^int和r_j ^ext是所相关的环的内、外半径，

-E_j和V_j是所相关的环的物质的弹性参数，即所相关的环的杨氏模量E_j和泊松比V_j。

然后通过反转先前的矩阵方程，使得计算所述井的顶部的压力的变化的速度成为可能，即

和

换言之：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{wh}}\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{wh}}\end{array}\right]=\frac{-1}{\mathrm{DE}-\mathrm{CF}}\left[\begin{array}{cc}F& D\\ E& C\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

后面这个方程可用来计算所述井的顶部11a的压力P_ann ^wh和P_tub ^wh的走向，正如下文所解释的。

所述界面34的高度h的置换速度由下式给出：

$\stackrel{\·}{h}=\frac{1}{({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}.\left[\begin{array}{cc}A& -B\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{wh}}\\ {\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{wh}}\end{array}\right]=\frac{-1}{\mathrm{\κ}.({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}.\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\ξ}& \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：κ＝DE-CF，ξ＝AF-BE和θ＝AD-BC.

此外，每个单位的渗透流率的高度函数可以通过i层的液压扩散方程来计算，和著名的傅里叶热扩散方程类似。这个液压扩散方程如下所示：

$\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}^{\mathrm{hyd}}}{\∂t}=k_R^{\mathrm{hyd}}.{\▿}^2{\mathrm{\ψ}}^{\mathrm{hyd}}$

其中：ψ^hyd是液压势能(hydraulic potential)，ψ^hyd＝P-ρgz，p是参考层面的压力(这里，所述界面的层面，其中压力值P_ann ^wh和P_tub ^wh被测量)，ρ是相关流体的平均密度，z是相对于参考层面的深度，

-g是重力加速度，

-

是指拉普拉斯算子(laplacian)，

-k_R ^hyd是介质的液压扩散度(hydraulic diffusivity)，

$k_R^{\mathrm{hyd}}=K_R^{\mathrm{hyd}}.M/{\mathrm{\μ}}_f;$

-k_R ^hyd是所述物质的渗透率，

-M是所述物质的比奥模量(Biot’s modulus)，

-μ_f是所述流体在所述物质中扩展到动态粘滞度(dynamicviscosity)。

在所述井10周围的一个直径为2r_w的水平面上具有一各向同性物质的层的情况下，这个液压扩散方程可在极坐标里被建模，其结果可以通过下面的单位流率的高度函数来表示：

${\mathrm{\Φ}}^{\mathrm{hyd}}=\frac{2\mathrm{\π}.r_w.K_R^{\mathrm{hyd}}}{{\mathrm{\μ}}_f}.{\left(\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}^{\mathrm{hyd}}}{\∂r}\right)}_{r=r_w}$

或者

${\mathrm{\Φ}}^{\mathrm{hyd}}=\frac{2\mathrm{\π}.K_R^{\mathrm{hyd}}.{\mathrm{\ψ}}_0^{\mathrm{hyd}}}{{\mathrm{\μ}}_f}.f\left({\mathrm{\τ}}^{\mathrm{hyd}}\right)---\left(3\right)$

其中，

$f\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\∞}\frac{e^{-k{u}^2\mathrm{\τ}}}{u[J_0^2(u.r_w)+Y_0^2(u.r_w)]}\mathrm{du}$

${\mathrm{\ψ}}_0^{\mathrm{hyd}}=P_0-P^{\∞},$

P^∞：无限距离的孔隙压力(pore pressure)，即，远离所述井10的钻孔的自然压力。

P₀：所述井10中的恒定液压力(constant hydraulic pressure)。

J₀和Y₀：第一和第二阶贝塞尔(Bassel)函数，

${\mathrm{\τ}}^{\mathrm{hyd}}=\frac{k_R^{\mathrm{hyd}}.t}{{r_w}^2}=\frac{K_R^{\mathrm{hyd}}.t}{{\mathrm{\λ}}_f},$ 其中 ${\mathrm{\λ}}_f=\frac{{\mathrm{\μ}}_f.{r_w}^2}{M}\≈{\mathrm{\μ}}_f.{\mathrm{\β}}_f.{r_w}^2.\mathrm{\φ}$

通过综合以上高于期待高度的单位流率的高度函数，使用针对每部分或者每一层的流体的和物质的合适参数，所述渗透流率Q1、Q2可以被计算。

因而，根据方程(1)，(2)和(3)，可计算出在所述井的顶部11a的压力值P_ann ^wh和P_tub ^wh的变化，以及所述界面34的高度h的走向。

该计算在时间方面上一步一步地被执行，从扰动的初始时刻开始，通过把时间t分成比较短的时间间隔δt，对于所述时间间隔计算一小的压力变化。它也考虑了所述界面34的深度z_i的走向，以及流入或流出所述地质构造13的不同物质的层的两种流体L₁，L₂的容量。

所述第一流体L₁的渗透流率Q₁ ⁿ⁺¹在(n+1)次重复的结果可表示如下：

$Q_1^{n+1}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\μ}}_1}.\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ann}}^i.\underset{H_{\mathrm{cas}}}{\overset{H_{\mathrm{cas}}+H_d-h_i}{\∫}}{K}_R^{\mathrm{hyd}}\left(z\right).f\left(\frac{K_R^{\mathrm{hyd}}\left(z\right).[t-i.\mathrm{\δt}]}{{\mathrm{\λ}}_1\left(z\right)}\right).\mathrm{dz}]$

其中

${\mathrm{\λ}}_1\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_1{r_d}^2}{M\left(z\right)}\≈{\mathrm{\μ}}_1.{\mathrm{\β}}_1.{r_d}^2.\mathrm{\φ}\left(z\right)$

h_i：相对于所述井的底部的在所述计算的第(n+1)个时间间隔期间所述界面34的高度，

ΔP_ann ⁱ：在所述计算的第i个时间间隔期间，所述环形空间19的顶部的压力变化 $({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ann}}^i={\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{ann}}^{\mathrm{wh}}.\mathrm{\δt}).$

在所述计算的第(n+1)次重复，渗透流率Q₁ ⁿ⁺¹可通过如下积分获得，即也即通过对充满流体L₁的所述环形空间的高度的积分，也即是，在H_cas和H_cas+H_d-h之间，单位流速的高度函数，以及前一时刻的从i＝0到n的流率的求和。这揭示了在相关的深度z的物质的渗透率 $K_R^{\mathrm{hyd}}\left(z\right)=K^i$ 和它的孔隙度φ(z)。

在所述计算的第(n+1)个时间间隔期间，渗入所述地质构造的所述流体L₁的容量可表示为：

$v_1^{n+1}=\underset{n.\mathrm{\δt}}{\overset{(n+1).\mathrm{\δt}}{\∫}}{Q}_1^{n+1}\left(t\right).\mathrm{dt}$

在所述计算的第(n+1)次重复中，所述流体L₂的渗透流率Q₂ ⁿ⁺¹以相似的方式表示如下：

$Q_2^{n+1}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\μ}}_2}.\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tub}}^i.\underset{H_{\mathrm{cas}}+H_d-h_i}{\overset{H_{\mathrm{cas}}+H_d}{\∫}}{K}_R^{\mathrm{hyd}}\left(z\right).f\left(\frac{K_R^{\mathrm{hyd}}\left(z\right).[t-i.\mathrm{\δt}]}{{\mathrm{\λ}}_2\left(z\right)}\right).\mathrm{dz}]$

其中

${\mathrm{\λ}}_2\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_2.{r_d}^2}{M\left(z\right)}\≈{\mathrm{\μ}}_2.{\mathrm{\β}}_2.{r_d}^2.\mathrm{\φ}\left(z\right)$

ΔP_tub ⁱ：在所述计算的第i个时间间隔期间，所述圆柱形空间的顶部的压力的变化 $({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tub}}^i={\stackrel{\·}{P}}_{\mathrm{tub}}^{\mathrm{wh}}.\mathrm{\δt}).$

在所述计算的第(n+1)个时间间隔期间，渗入至所述地质构造的所述流体L₂的容量可表示如下：

$v_2^{n+1}=\underset{n.\mathrm{\δt}}{\overset{(n+1).\mathrm{\δt}}{\∫}}{Q}_2^{n+1}\left(t\right).\mathrm{dt}$

在所述计算的第(n+1)个时间间隔期间的压力P_ann ^wh和P_tub ^wh的变化，可以由(1)的离散方程给出，其中，所述矩阵的组成部分C，D，E，F可以表示为在所述计算的第n次重复完成时，所述界面的高度h_n的函数：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tub}}^{n+1}\\ {\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ann}}^{n+1}\end{array}\right]=\frac{-1}{\mathrm{\κ}\left(h_n\right)}.\left[\begin{array}{cc}F\left(h_n\right)& D\left(h_n\right)\\ E\left(h_n\right)& C\left(h_n\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_1^{n+1}\\ v_3^{n+1}\end{array}\right],$

在所述计算的第(n+1)次时间间隔期间，相对于所述井的底部的界面34的高度h的变化可以由(2)推导得出：

${\mathrm{\Δh}}_{n+1}=h_{n+1}-h_n=\frac{-1}{\mathrm{\κ}\left(h_n\right).({\mathrm{\ρ}}_2^d-{\mathrm{\ρ}}_1^d).g}\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\ξ}\left(h_n\right)& \mathrm{\θ}\left(h_n\right)\end{array}\right].\left[\begin{array}{c}{v}_1^{n+1}\\ v_2^{n+1}\end{array}\right]$

这些计算在被执行时，认为所述初始时刻 ${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ann}}^0\≈{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tub}}^0$ 等于在产生扰动时刻所测得的压力变化(图2a中峰值的高度)，且h₀是所述界面34的高度。

之前的方程显示所述计算与压力变化、所述界面的高度h的变化，以及在每个瞬时时间t流体L₁，L₂渗透入所述地质构造的各个物质的层C_i的容量之间强烈耦合。

定义一代价函数(cost function)f_c，或者是目标函数，以用来评价使用数学模型计算得到的数值和实际测量得到相同的数值之间的差异。这个代价函数，例如，是所述计算得到的数值和实际测量得到的数值的差的模的总和，或者甚至是所述差的平方的总和。典型地，适当的被比较的数值是被传感器28和31在所述井顶部11a测量到的压力值P_ann ^wh和P_tub ^wh。

一最小化(minimization)或反演算(inversion)的算法可以被用来寻找使得所述代价函数最小化的参数的值。

对于几组参数，所述代价函数f_c呈现局部最小化。为了解决该反转问题(inverse problem)，优选地，可以使用一单纯形型(Nelder-Mead型)算法(Simplex，单一的)，或是一遗传型(genetic type)算法，或是一神经网络型(neural network type)算法，或是一粒子群类型(particle swarm type)算法。

为了最小化所述代价函数，最小化算法在一个可变范围内变化所述模型的每个参数。例如：

-所述渗透率Kⁱ的变化范围可能在10^-19和10^-15m²之间，

-所述孔隙度φⁱ的变化范围可能在0.01和20％之间，

-在一简化的表皮模型中，所述表皮Sⁱ的变化范围可能在0到50之间。

图5a到5c显示了本发明的方法的一第二实施例，其中，所述井装配有一个伺服控制一参考压力P_ref的系统，使得所述参考压力能够被基本上被保持恒定在一P_c值，如图5a所示。

然后，所述每个导管21、25，例如，装配有一流率测量装置，用于在所述井的顶部，在每一个瞬时时刻，测量流率和/或被注入和被抽取的流体的容量。

所述伺服控制系统或者闭环控制系统，控制着所述机泵22、26以自动地注入或者抽取一定数量的流体以保持所述参考压力值P_ref恒定。

在测试中，所述井的顶部的流率Q_ann ^wh和Q_tub ^wh被测量，图5b显示了在一与图2a和2b所示的本发明方法的第一实施例的测试序列相似的测试序列期间，参考流率Q_ref的走向的一个例子。这些流率可以被用来估量流体L₁，L₂的渗透流率Q₁、Q₂，分别地，用类似于先前描述的用于所述井的顶部压力的所述计算的方式。

图5c表示了本实施例中在所述测试序列期间，所述界面34的深度z_i的走向。

在所述井的顶部的所述压力和/或流率的变化也能够被计算出。

对于所述压力值和流率，比较对应的所述测量数值和仿真数值的走向，以标识出对于地质构造13的物理参数的一组最优的值。

同样，被描述的本发明的方法在界面深度对所述井10的液压平衡执行扰动序列，所述界面深度被预先确定，并且在每个序列期间基本上保持恒定。然而，如果这些对所述井10的液压平衡的扰动序列被执行的同时，界面34能在两个界面深度之间连续置换，那么本发明的方法也能被执行。特别地，所述界面34可以在两个深度之间被置换任意次数。朝向所述井的底部11b、接着朝向所述套管鞋16的所述界面34的这些扫描序列本身的每一个包括至少一个所述井10的液压平衡的扰动。通过比较和所述流体属性相关的测量数值的走向与仿真数值的走向，可以标识出对于地质构造的物理参数的一组最佳的值。

以上的阐述描述了具有两种流体之间单一的界面34的本发明的方法实施例，但是在多种流体间有两个或多个界面的情况下，也能使用本发明的方法。

类似地，任何液体或者气体流体也可以用来替代前文描述的述流体的其中一种。

Claims (19)

1.一种估量地质构造的物理参数的方法，包括以下步骤：

-用一个底部开口的管道装配一通过所述地质构造的井；

-用一第一流体填充所述管道和处在所述井内的所述管道周围的一环形空间的底部；

-用至少一种第二流体填充所述环形空间的剩余部分，以便所述多种流体在所述环形空间内呈现一个界面；

-扰动所述井内的多种流体的液压平衡；

-测量在所述井内与所述多种流体的属性相关的参数值的走向；

-通过计算机仿真在所述井内有一液压平衡扰乱时所述多种流体的液压特性，每次仿真对于所述地质构造的物理参数使用一组数值，并产生所述参数值的一仿真走向；

-比较所述参数值的所述测量走向和所述仿真走向，以确定对于所述地质构造的物理参数的一组最佳数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调整所述井内的第一流体和第二流体的容量，使得所述界面被连续地置于不同深度，并且，在每个深度，扰乱所述多个流体的平衡并测量所述参数值的走向。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过调整所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，使得所述界面在至少两个深度之间被置换，并且，当所述界面被置换时，扰乱所述多个流体的平衡并测量所述参数值的走向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过注入或者抽取所述管道内和/或所述环形空间中一预定容量的流体，以扰乱所述井内的液压平衡。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每次仿真包括所述多种流体向所述地质构造的渗透流率的一个估量，然后一个与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值的仿真走向的估量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每次仿真还包括，一个基于被估量的渗透流率的、在所述环形空间内所述界面的深度的估量。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一流体和第二流体是液体。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理参数包括至少一个有关所述地质构造的物质的至少一层的渗透流率和孔隙度的参数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理参数包括所述地质构造的物质的至少一层的自然压力。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一流体的浓度大于所述第二流体的浓度。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括沿所述环形空间的所述界面的深度。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括一个在所述井的顶部对流体进行注入或抽取时的流率。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井还安装一用于与流体属性相关的所述参数值之一的伺服控制。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量序列被连续执行，每个测量序列包括：

●通过调整在所述井内的所述第一流体和所述第二流体的容量，对于所述测量序列，将所述界面定位于一预定深度；

●通过注入或者抽取在所述管道或所述环形空间内的一预定容量的流体，来扰乱在所述井内的流体的液压平衡。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述井内的多种流体的属性相关的所述参数值包括一在所述管道内的压力，和一在所述环形空间内的压力。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述井的顶部测量所述压力。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述压力之一被视为一参考压力，且每个测量序列至少包括以下步骤：

(a1)置换所述井内的所述界面至一预定位置，

(a2)通过注入一第一容量的流体扰乱所述井内的所述流体的液压平衡，所述参考压力从一初始压力值变化到一最终压力值，

(a3)观察所述压力的变化，

(a4)通过抽取一第二容量的流体使所述井内的流体恢复液压平衡，所述参考压力大致变化到所述的初始压力值。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述步骤a1中，在各个测量序列下，所述界面被置于不同深度。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述地质构造包括被所述井所贯通的多个物质的层，并且，在所述步骤a1中，在各个测量序列下，所述界面被置于面向不同的物质的层。

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