CN103946480B - 检测并校正地下区域之间的非预期流体流动的方法 - Google Patents
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Abstract
检测并校正地下区域之间的非预期流体流动。至少一些说明性实施例是一些方法,包括:将第一流体注入到地下区域,通过第一井眼的方式注入;进行表示表面变形的读数;根据表示表面变形的读数来标识地下区域外的第二流体的流路;在流路中放置化合物,该化合物减少第二流体通过该流路的流动。
Description
背景技术
在碳氢化合物,尤其是天然气的生产中,还会从地下地层中产生大量的二氧化碳。作为精炼工艺的一部分,从碳氢化合物中分离二氧化碳。这些二氧化碳中的一些被用于诸如地层压裂作业和增强的油回收之类的其它目的,但其余的二氧化碳是按某种方式来安排的。一种技术是把二氧化碳注回地下地层进行永久存储,这已知为封存(sequestering)。二氧化碳的这些和其它源还被存储在地下以便减少温室气体排放。
封存二氧化碳会带来风险,封存的二氧化碳会从地下地层逸出至其它地层,像是含饮用水的地层,或逸出到地表。到写本说明书时为止,发明人并不知道封存的二氧化碳逸出到地表或污染饮用水地层的任何持续的实例;然而,已经发生暂时性的泄漏,且可用来检测泄漏以及停止任何这样的泄漏的任何方法将是有益的。
附图说明
现在将参考相应附图进行示例性实施例的详细描述,在附图中:
图1示出根据至少一些实施例的多个地下区域的立体剖视图以及有关的监测设备;
图2示出根据至少一些实施例的、在地下区域中之一中注入流体后多个地下区域的立体剖视图以及有关的监测设备;
图3示出根据至少一些实施例的、在地下区域之间形成泄漏后多个地下区域的立体剖视图以及有关的监测设备;
图4示出根据至少一些实施例的、多个地下区域的立体剖视图,以便讨论通过现有井眼(borehole)的补救(remediation);
图5示出根据至少一些实施例的、在已经通过井眼拦截泄漏的流路后的多个地下区域的立体剖视图以及有关的监测设备;
图6示出根据至少一些实施例的、与流路相交的钻井系统;
图7示出根据至少一些实施例的、用于帮助与流路相交的电缆测井系统;
图8示出根据至少一些实施例的、多个地下区域的立体剖视图以及有关的监测设备,包括井眼中的至少一些监测设备;
图9示出根据至少一些实施例的、离岸(off-shore)系统的立体剖视图以及有关的监测设备;
图10示出根据至少一些实施例的方法。
符号和命名法
在下面整个说明书和权利要求书中使用一些术语以便涉及特定的系统部件。熟悉本领域技术的人员会理解,对于一个部件,各油田服务公司会给出不同的名称。本文并不旨在区分名称不同而非功能不同的部件。
在下面的讨论和权利要求书中,以开放式的方式来使用术语“包括”和“包含”,因此应该把其意思解释成“包括,但是不局限于…”。同样,旨在使术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”的意思指间接或直接连接。因此,如果第一设备耦合到第二设备,则这个连接可通过直接连接或通过经由其它设备或连接的间接连接。
“封存”意味着为存储的目的而放置于特定位置,但是不应该暗示存储的时间框架,也不应暗示为由来自特定位置的泄漏而消除(obviate)了封存。
“地表”意味着地球地壳的最外面部分。地表不仅包括暴露的地壳,而且“地表”还应该包括海底和/或水的任何本体的底部。
关于测量设备,“部署在海底”应该意味着测量设备驻留在海底之上2米和海底之下30米处。“海底”并非指水的盐度,对于本公开和权利要求书的目的,即使是淡水湖,也应该具有“海底”。
相对于位置确定,“实时”应该意味着触发事件的30秒或更少时间内的位置确定(例如,开始基于GPS信号计算位置的软件例程)。
具体实施方式
下面的讨论针对本发明的各个实施例。虽然这些实施例中的一个或多个是较佳的,但是不应该把所揭示的或所使用的实施例解释成限制包括权利要求书的本公开的范围。此外,熟悉本领域技术的人员要理解,下述说明具有宽广的应用,任何实施例的讨论仅意味着实施例的示例性例子,并不旨在表示该实施例限制了包括权利要求书的本公开的范围。
此外,在地下区域中封存二氧化碳的环境中研发了各个实施例,因此下述说明是基于研发环境的。然而,可使用所述方法和系统而不论注入到地下区域中的流体的类型且不论注入的原因。例如,各种方法和系统在其它流体的封存方面得到应用,且在为了其它原因(例如,二次油回收作业)而注入方面得到应用,因此不应该认为研发环境是对本发明范围的限制。此外,各种技术可应用与基于陆地的作业以及离岸的作业。为避免使讨论过分复杂化,本说明书首先进行基于陆地的作业,然后再进行关于离岸作业的具体概念。本申请涉及两篇石油工程师协会(SPE)的文章:RonaldSweatman等人的题为“NewApproachandTechnologyforCO2FlowMonitoringandRemediation(CO2流监测与补救的新方法与技术)”的论文No.137843号以及RonaldSweatman等人的也是题为“NewApproachandTechnologyforCO2FlowMonitoringandRemediation(CO2流监测与补救的新方法与技术)”的SPE论文No.138258号。此外,本申请涉及RonaldSweatman等人的题为“NewTechnologyforOffshoreCO2ReservoirMonitoringandFlowControl(离岸CO2储层监测与流控制的新技术)”的碳管理技术会议(CMTC)论文No.150980号。
图1示出基于陆地的碳氢化合物生产油田的立体剖视图,以便解释在各个实施例中使用的概念。特定地,图1示出土地(earth)100的一部分,在该部分土地中已经钻掘了井眼102。根据至少一些实施例,井眼102至少部分加了套管,且邻接地下区域104的套管的一部分被穿孔以允许井眼和地下区域104之间的流体流动。虽然图1示出与井眼102相关联的起重机107,但是在许多情况中,移除起重机107,且仅通过叠加阀(valvestack)和相关的管道来表示地表处的井口(wellhead)。
在一些实施例中,地下区域104是包含或以前含碳氢化合物的多孔岩石的区域。某些因素一起作用而创建了地下区域,不仅包括多孔岩石,而且还包括盖住区域104的实质上不透水的岩石层106,因此把碳氢化合物捕获(trap)在地下区域104中。出于这个原因,在一些情况中,称岩石层106为“盖岩”层。说明性图1还示出可由相同或不同盖岩层盖住的第二地下区域108。将相关于所示地下区域104外的非预期流路(也可称之为泄漏)来讨论第二地下区域108的重要性,将在下面详细讨论。
当从地下区域移除诸如碳氢化合物之类的流体时,可发生轻微的表面变形,尤其是沉陷。相反地,当流体注入地下区域时,可发生轻微的表面变形,尤其是表面膨胀或上升。在大多数情况中,响应于流体注入说明性地下区域104的表面变形与所注入的流体体积成线性正比,并且与深度的平方大致成反比。不同类型的岩石地层对所注入的流体可具有更大或更小的反应。假设其中可封存二氧化碳的大多数地下区域的深度、即使在注入大量二氧化碳情况下的表面变形的量,可为厘米级,在许多情况中,为毫米级或更小。
根据各个实施例,位于或接近于表面110处,驻留有用于检测表面变形的多个所示的设备。例如,图1的说明性系统示出多个变形测量设备112(三个这样的设备标注为112A、112B和112C,但是所示出的另外的设备没有标号),这些设备是基于全球定位系统(GPS)的测量的形式的。基于GPS的测量设备112基于来自绕地球转的卫星的星座的信号进行高度测量(elevationmeasurement)。在许多情况中,单单基于来自GPS卫星的信号来计算绝对高度不能够得到厘米级或毫米级的高度计算。因此,根据至少一些实施例,说明性变形测量设备112还使用来自基于比较用的基于地表的站点114的信号,这使基于差动GPS的变形测量达到厘米和/或毫米级,在一些情况中,具有2毫米或更小的准确度。
仍参考图1,图1的说明性系统还示出多个变形测量设备116(三个如此的设备标注为116A、116B和116C,但是所示出的另外的设备没有标号),这些设备的形式是放置在接近地表处的基于测斜仪的测量(对于“倾斜仪”,标注为TM)。在一些情况中,可在地表处进行基于测斜仪的测量,在其它情况中,测量设备116可放置在地表的6到12米内(仍认为是接近地表的)。基于测斜仪的设备116不测量绝对高度,而是,当随时间进行多个测量时,提供传感器的倾斜(tiltorincline)变化的指示。如果传感器永久性地或半永久性地耦合在或接近于地表处,则可以给出地表的倾斜指示。当表面变形远小于毫米级时,基于测斜仪的设备具有可检测倾斜变化的分辨率,且特别在一些情况中,以0.00000005度分辨率做出基于测斜仪的测量值。
基于测斜仪的读数提供延长到数个月的短时间周期上的高精度和准确度,但是用当前的技术和部署不能够提供更长时间周期上的高准确度。因此,在一些实施例中,将基于GPS的变形测量设备与基于测斜仪的测量设备组合,从而在超过数个月的时间周期上维持高准确度。
图1进一步示出卫星120。根据又一些实施例,使用卫星120来取得地下区域104上的表面变形的干涉合成孔径雷达(InSAR)测量。尽管图1示出通过卫星方式的InSAR测量值时,但在其它实施例中,可从基于飞机的平台、安装在塔上的利用自然地形特征的优势的站或多个站来取得InSAR,以提供所研究的地表的直接示图。InSAR测量执行高处变化的厘米级或更佳的测量。在诸如RADARSAT-2SAR平台之类的一些情况中,InSAR可具有三米像素大小,并且合成孔径读数的单个组可覆盖达100公里乘100公里的区域。把多组读数接在一起可得到更大的图像。InSAR的能力是确定表面变形的变化,其中取得第一SAR测量、并且在一些时间之后(根据各个实施例为数小时或数天),取得第二SAR测量。虽然InSAR不可确定实际的高度,但是可极正确地确定测量值之间的高度上的变化,包括毫米级的高度变化。在一些实施例中,可放置永久的或半永久的反射器以便帮助确保良好的InSAR读数(诸如当表面植被覆盖该区域、或表面植被变化、或其中该区域经受积雪)。
在现有技术中使用基于GPS的测量、基于测斜仪的测量、以及基于InSAR的测量,但是与各个实施例的目的不同。特定地,对于一些生产碳氢化合物的地下地层的,使用二次油开发技术,藉此通过一个井眼把蒸汽注入地层内,尝试从相同的或相当接近的第二井眼增加碳氢化合物产物(通常为油)。然而,因为井构造和地层的本质,在其中使用蒸汽注入作为二次开发技术的情况中,蒸汽偶然以某种方式到了地表。在现有技术中,使用基于GPS的测量、基于测斜仪的测量、以及基于InSAR的测量中的一个或组合来预测其中二次开发蒸汽将要打破地表的位置,并且确定要从哪个井眼注入蒸汽。如上所述,表面变形的量近似地与深度的平方成反比,因此,与深地下区域相关联的表面变形相比,接近到足以打破表面的蒸汽的局部变形的量是相当大的。此外,使用与表面变形相关的技术来跟踪返回到蒸汽注入井眼的蒸汽,以致可停止蒸汽注入和/或永久关进(shutin)井眼。用于提供基于GPS的测量、基于测斜仪的测量、以及基于InSAR的测量的说明性服务提供商是德克萨斯州,休斯敦的HalliburtonEnergyServices有限公司(哈里伯顿能源服务有限公司)提供的PINNACLETM商标业务。
要注意,本领域普通技术的人员知悉基于GPS的测量、基于测斜仪的测量、以及基于InSAR的测量(在上一段提到的情况中),且因此为了不过度地使本说明书复杂化,以及避免使各个实施例模糊不清,省略了每个测量技术的更详细的讨论。
现在考虑其中把说明性二氧化碳泵入或注入地下区域104的情况。在大多数情况中,二氧化碳处于足够的压力下成为超临界流体,但是并不要求使二氧化碳处于这个相。地下区域104中附加体积创建如图2所示的表面变形200。为了清楚起见,大大地放大了图2所示的变形200。同样,在大多数情况中,表面变形量将是厘米级或更小,且在许多情况中,表面变形只是几个毫米。但是,根据各个实施例,在注入二氧化碳期间和/或之后进行表面变形读数,通过基于GPS的测量、基于测斜仪的测量、基于InSAR的测量、和/或直接或间接测量表面变形的任何其它技术中的一个或多个进行表面变形读数。在图2所示的情况中,封存的二氧化碳被完全包含在地下区域104中。
然而,基于各种理由,封存的二氧化碳可从地下区域104逸出或泄漏。泄漏创建了流体流出地下区域104的流路。从地下区域泄漏的流体在每个情况中可以是不同的。如果泄漏路径位于地下区域的边缘处、离开二氧化碳的注入点相对远的地方,则泄漏流体可能是地下区域的组成流体,诸如碳氢化合物或水。另一方面,如果泄漏接近注入点,或基本上所有的碳氢化合物已经从地下区域移除,则泄漏流体可能是封存的二氧化碳。再进一步,根据泄漏发生的时间有多长,泄漏流体可以从地下区域的组成流体改变为二氧化碳。
根据各个实施例,使用表面变形读数来确定是否有封存的流体泄漏到地下区域104外。相对于确定封存的流体是否逸出或已经逸出,考虑图3。特定地,图3示出其中在所示的地下区域104和所示的地下区域108之间形成了流路300的情况。可有多种原因引起地下区域之间的泄漏。例如,由于地下区域中的封存而增加流体的体积引起的次表面(subsurface)变形可导致流路在先前由层上面的巨大重量密封的、密封较差的井中或岩层之间打开。此外,这样的次表面变形可导致裂纹和裂缝形成,裂纹和裂缝然后可在地下区域之间打开流路。再进一步,在地下区域之间可已经预先存在天然的地质断层,第一地下区域内增加的压力可迫使流体沿已经预先存在的地质断层流动。
根据特定的情况,做出地下区域正在形成或已经形成泄漏的判定可采用许多方式。例如,在已经从地下区域104泄漏了足够量的流体之后,地下区域104上的表面变形读数可示出下沉。在对应于注入封存流体的膨胀后的这样的下沉可表示泄漏。同样,在一些情况中,通过流路300移动的流体波前本身可以导致可检测到的表面变形,诸如通过所示的基于GPS的测量站112D、基于测斜仪的测量站116D、或在地下区域104之上的表面外的基于InSAR的测量扫描区域。再进一步,移动到地下区域108的流体可导致表面变形302,这可由基于地的测量设备(如果存在的话)、或在地下区域104之上的表面外的基于InSAR的测量扫描区域检测到。
对于每种情况,表面变形的测量频率可不同。例如,在其中不太可能是泄流的情况中,可仅每数星期或数月地进行基于测斜仪的测量;然而,一旦任何测量系统给出已经形成或可形成泄漏的指示,则可以增加一些或全部测量的频率。在一些情况中,当检查来自地下区域的泄漏时,可每小时都进行基于测斜仪的测量和基于GPS的测量。可等效地使用更长或更短的测量时间间隔,但是这样的时间间隔仍比其它系统使用的基于表面的观察(诸如来监测二次开发注入流体)要更为频繁。使用风险估计来确定初始时间间隔,其中高风险情况需要较多测量次数,反之亦然。
不管用于检测泄漏的精确机构,在大多数情况中,将基于泄漏的检测而知道泄漏的大致方向,或通过进一步测量(例如,安装和/或激活附加的基于地的测量站、扩展基于InSAR的测量的扫描区域)可固化泄漏的方向。在一些情况中,知道泄漏的大致方向可直接指示泄漏的流路,例如,知道大致泄露方向结合现有地震数据可直接将流路指示为沿已知地质断层。
一旦已经检测到了泄漏,根据特定情况,补救泄露可采取多种形式。例如,考虑图4示出的情况。特定地,考虑使用与地下区域104相关联的井眼102作为与生产井眼400相关联的二次开发流体的注入点。例如,操作者可以通过井眼102把二氧化碳或水注入地下区域104以尝试增加来自井眼400的碳氢化合物产物。进一步考虑与地下区域108相关联的井眼402是同样的碳氢化合物生产井眼,但是操作者不想在井眼102处注入的二次开发流体影响井眼402。最后,考虑已经形成了通过流路300的泄漏。
在图4所示的情况中,补救泄漏可采取多种形式。在一些实施例中,操作者可利用通过井眼102或通过与井眼402相关联的“平面孔型的(bullheaded)”直通(through)产油管道注入的各种密封剂或流动改性化合物中的任何一种。例如,操作者可流动改性化合物注入到井眼102中,其中选中的流动改性化合物被配置为一旦接触与地下区域108相关联的碳氢化合物时起化学反应。因此,当注入的化合物沿流路300移动时,在某一点处,化合物同与地下区域108相关联的流体化学地接触,并且发生化学反应,该化学反应减少和/或密封了沿流路300的流动。
在再进一步的其它情况中,可选择化合物使之与地下区域104中的流体化学反应,且该化合物可通过井眼402注入(例如,“平面孔型的”直通产油管道)。当化合物向泄漏流路300迁移时(在本示例中是“逆”流),化合物接触与地下区域相关联的流体,发生化学反应,该化学反应减少和/或密封了沿流路300的流动。在再进一步的情况中,被选中和泵入井眼的化合物可与在相关联的地下区域内的流体发生化学反应,但是可以用其它流体来缓冲,以便保证化合物到达泄漏流路。在再进一步的其它情况中,选中的化合物可以是“自”激励的,在这个意义上,当触发时,化合物具有缓慢的移动化学反应,其时间定为当化合物到达泄漏流路300时结束或完成该化学反应。
不论向井眼注入化合物的目的是减少通过泄漏流路300的流动还是密封泄漏流路300,这些化学反应的本身同样可采取很多形式。在一些情况中,从泄漏流路300中的化合物部分地或全部地物理地阻挡泄漏流路300的意义上来说,减少流动或密封泄漏流路可以是“机械”的。例如,在与二氧化碳接触作为触发的说明性情况中,操作人员可传输胶乳-或硅酸盐/聚合物基密封剂,所述密封剂从可泵送的流体转换成不可泵送的刚性或半刚性密封剂。在与水接触而触发的说明性情况中,化合物可包括与表面活性剂混合在非水性载体流体(例如,柴油、矿物油、合成油)中的微细粒硅酸盐水泥。因此,当化合物接触水时,水泥化学反应,并且在适当位置硬化,减少流动或密封泄漏流路。另外说明,化合物稠化成渗透性降低的物质。
进一步,相对于“机械”化合物,现在考虑其中沿流路300逸出的流体是碳氢化合物的情况。在这样的说明性情况中,放置在流路300中的化合物可以是悬浮在水基流体中的有机(organophyllic)微细粒粘土。尽管悬浮在水基流体内,粘土堆积(lodge)在定义流路300的裂缝和裂缝中。然而,当碳氢化合物取代了悬浮粘土的水时,粘土吸收碳氢化合物并且膨胀,因此,进一步减少碳氢化合物沿流路300的逸出。
因此,放置在流路300中的化合物可包括颗粒状材料,诸如水泥、沙、石英粉、天然沥青、石墨;纤维状材料、片状材料、颗粒状材料或其组合;聚合材料、水溶性材料(诸如淀粉、淀粉混合物、预胶化淀粉、化学改性淀粉,天然存在淀粉或其组合);疏水改性聚合物;或其组合。
然而,在其它情况中,从化合物改变岩石和流体之间分子相互作用的意义上来说,减少流动或密封泄漏流路可以是“化学”的。例如,生产碳氢化合物的大多地下区域是“水湿(waterwet)”的,意味着在碳氢化合物元素和周围岩石的元素之间具有几乎没有亲和力或无亲和力,因此,使碳氢化合物能通过孔空间和应力断裂移动(要记住,在许多情况中,孔空间和应力断裂具有微观尺度特征)。然而,使用各种现有技术的化学化合物中的任何一种,可将岩石地层的“湿润”改变为“油湿”,意味着地层的分子具有(吸引和保持)碳氢化合物分子的亲和力,因此减小或消除了碳氢化合物分子通过孔空间和应力断裂移动的能力。还可能是相反的情况-将“油湿”地层改变为“水湿”地层。使“化学”补救措施概念稍微抽象化,可化学地改变地球地层的相对渗透性,且可使用相对渗透性的这样的改变来减小通过泄漏流路300的流动或密封泄漏流路300。
在继续之前,按序有两点。第一,本领域普通技术的人员知晓所讨论的各种化合物,因此为了不过度地使本说明书复杂化,以及避免使各个实施例模糊不清,省略了每类密封化合物的更详细的讨论。第二,尽管本领域普通技术的人员知晓如此的技术,但根据此处发明人的了解,这样的技术的使用已经成为防止钻井液流入由井眼穿透的地层的损耗的一种机制,而不是关于减少或停止沿地下区域之间的流路300的泄漏。在防止钻井液流入地层的损耗的环境中,一些商业可得到的密封化合物包括(用于含水地层)、(用于含碳氢化合物地层)、以及(用于含水和/或干气体流的地层),所有这些都可以从德克萨斯州,休斯敦的HalliburtonEnergyServices有限公司得到。
至此所讨论的各个实施例已经假设了通过现有井眼将用来补救泄漏流路300所使用的化合物注入。然而,在进一步的其它情况中,可更直接地放置化合物用于减少通过密封泄漏流路300的流动或密封泄漏流路300。图5示出根据可选实施例的系统,其中钻掘井眼使之与泄漏的流路300相交。图5说明性地示出从起重机502钻掘的第二井眼500。然而,在说明性图5中起重机502的存在并不暗示必须通过常规技术来钻掘井眼500。可使用任何合适的钻掘系统和方法来创建第二井眼500,诸如基于使用井下“拖拉机”的挠性油管的钻掘。此外,说明性图5示将第二井眼500示出为完全远离其它井眼(例如,井眼102);然而,在至少一些实施例中,第二井眼500可以是把封存流体注入地下区域104的井眼的分支井眼,或位于附近的任何其它井眼包括其它注入/生产井眼以及监测井眼。最后,在说明性图5中,第二井眼500转向地下区域104从而与泄漏流路300相交,但是不需要如此。第二井眼500可以等效地转向地下区域108,或在一些情况中,在与流路300中的流体流动的方向成直角处或接近直角处与泄漏流路300相交。
根据至少一些实施例,在一般意义上,泄漏流路300的位置可以是已知的,但是精确的位置未知或不可从表面变形测量中确定。在这样的情况中,第二井眼的钻掘最初可从表面变形测量所指示的方向开始,但是精炼钻掘方向以保证通过部署在第二井眼500中的工具可使得与泄漏流路300相交。特定地,图5示出钻掘系统600,该系统包括在其远端具有钻头604的钻柱602。通过地面设备606或井下马达引起的钻头604的旋转运动,创建了第二井眼500。根据所示的实施例,钻柱602包括井下工具608,在大多数情况下,井下工具与钻头604相对接近。井下工具608用第二井眼500中的钻柱502取得测量值,在许多情况中,可以在进行钻掘时取得测量值。因此,可把井下工具608称为随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)工具。一些企业区分LWD和MWD,在大多数情况中,LWD涉及测量围绕井眼的地层特性,而在大多数情况中,MWD涉及测量与井眼本身或与钻掘过程相关联的特性(例如,井眼的倾斜、钻井液的井下压力、温度)。然而,通常可以互换地使用这些术语,对于本讨论的权衡,将在理解LWD也涉及MWD测量值的情况下来使用术语LWD。
根据特定的实施例,在通过使用示意性井下工具608的LWD测量值的钻掘期间,精炼第二井眼500的钻掘方向。所使用的井下工具608的类型取决于特定情况和沿泄漏流路300移动的流体类型而变化。然而,在大多数情况中,使用井下工具608来检测围绕工具的体积610中的岩石地层特性之间的对比,其中对比有关于其中流体正在移动的岩石地层的特性与没有逸出流体的岩石地层的特性的比较。存在无数的可能情况,而不是试图定义每个可能的情况,说明书给出可以使用的数个不同类型的井下工具的简要概述。
可使用的一个类型的井下工具608落在已知为“声学”工具的工具分类中。声学工具发出通过周围地层传播的声学信号。在许多情况中,声音信号在高可听范围内以及以上。声学工具还具有一个或多个“收听”设备,当信号通过地层传播时,该设备检测声音信号中的部分。在许多情况中,声学工具产生岩石地层中声音速度的指示,同样在许多情况中,声音速度测量是方位角敏感的(即,与井眼中工具的旋转相关的定向)。因此,在与确定或测量工具的旋转取向的工具组合时,声学工具可基于因变于钻柱旋转取向的测量到的声音速度的变化来标识相对方向和/或与泄漏流路300的接近度。例如,当钻头接近其中较下面的岩石地层包含泄漏流路300的岩石界面位置时,声学工具可基于在工具的特定旋转取向处感测到的声音速度的变化来标识界面。把声学工具的变型称为“噪声测井(noiselog)”,其中工具不发送声学信号,并且只有灵敏的收听设备来聆听周围岩石地层中的动态流发出的声音。实际上,把这个类型的工具耦合到旋转取向设备以寻找诱发流动的声音的源的方向。一些方向敏感的噪声测井工具可检测由周围岩石内和多个套管柱后面距离工具不同距离处的泄漏流体引起的超声声波。示例性噪声测井工具由Seawell制造,由德克萨斯州,休斯敦的HalliburtonEnergyServices有限公司在井中运行。
可使用的井下工具608的另一个说明性类型落在称为感应或电磁(EM)工具的工具类别中。EM工具发射或释放出通过地层传播的电磁波。通过传感器检测部分电磁波,并且基于检测到的电磁波的幅度和相位,可确定各种地层特性,诸如电阻率(以及,相反地,导电率)。在许多情况中,EM工具是方位角敏感的,且因此可基于工具上面和下面的方位角敏感的电导率读数的对比来检测接近矿床(bed)界面(诸如接近流路300)。
可使用井下工具608的另一个说明性类型落在称为传导工具的工具类别中。传导工具创建电压电位,该电压电位导致电流从工具流出,通过地层,并且返回到工具。基于电性质来诱发特定电流流动,当电流通过地层流动时的电流衰减、以及当电流通过地层流动时的电流相移,可确定各种地层特性,诸如电阻率(以及,相反地,电导率)。在许多情况中,导电工具是方向角敏感的,因此可基于工具上面和下面的方位角敏感的电导率读数的对比来检测接近地层界面(诸如接近流路300)。
在继续之前按序有两点。第一,本领域普通技术的人员知晓各种类型的测井工具,因此为了不过度地使本说明书复杂化,以及避免使各个实施例模糊不清,省略了测井工具的更详细的讨论。第二,尽管本领域普通技术的人员知晓如此的技术,根据此处发明人的了解,并不相关于与地下区域之间的泄漏流路300相交或与补救通过流路的泄漏的最终目标有关。可使用的测井工具的示意性组包括电阻率测量、InSiteADRTM方位角深电阻率、InSiteAFRTM方位角聚焦的电阻率、M5TM集成LWD,所有这些都可以从德克萨斯州,休斯敦的HalliburtonEnergyServices有限公司得到。
此外,尽管本说明强调三种宽泛类别的测井工具,这三种宽泛类别的许多变型是可能的,并且详细描述不应该认为限制了工具的配置,可选择这些工具来精炼钻掘方向以保证第二井眼500与流路300相交。例如,一些传导工具本身包含与钻头相距的短距离,而其它传导系统利用钻头本身作为电流的发送地点,因此使更沿着钻掘方向聚焦基于传导的测量。此外,每个工具的测量深度因变于工具类型和特定工具配置。因此,在精炼钻掘方向时,可使用多个工具,首先使用询查围绕井眼500的地层的较大体积610的工具(但是在大多数情况中,得到的数据的空间分辨率较低),然后使用询查围绕井眼500的地层的较小体积610的工具(但是得到的数据的空间分辨率较高),依此类推。再进一步,可同时使用包括改变操作类型的多个工具,来帮助精炼钻掘方向。
至此各个实施例已经描述了LWD意义上的钻掘方向的精炼;然而,钻掘方向的精炼不局限于LWD工具。图6示出其它实施例,其中用于精炼钻掘方向的井下工具是测井电缆工具700。特定地,在图7所示的情况中,钻柱已经被移除或从井眼500“解扣(tripped)”,并且工具700下降到井眼500中。工具700包括压力容器,在压力容器中放置各种传感器和电子设备,并且通过测井电缆或缆绳使工具悬浮在井眼中。其中井眼500具有水平部分,难以把工具700移动到水平部分内;且因此,在一些实施例中,使用管道702(诸如挠性管或接合管)。特定地,放置测井电缆或缆绳使之与管道存在操作关系(例如,在内径内),且因此可在地面处提供力来使得工具700移动到水平部分内。在又一些其它情况中,工具700本身可实现物理系统使之在水平部分中移动。不管将工具700传送至水平部分内的机制,缆绳把工具700通信地耦合到地面设备704。像LWD工具那样,测井电缆工具700询查围绕工具的体积710,且在精炼钻掘方向过程期间,不同的工具可询查不同的体积。可用工具700进行的测量类型与相对于上述LWD工具所讨论的那些相同。
尽管已经相关于LWD和测井电缆工具描述了各个实施例以精炼钻掘方向使之与流路300相交,但是测井方法不局限于LWD和测井电缆,可附加地或等效地使用其它测井技术。例如,在一些实施例中,可附加地使用所谓的“泥浆测井(mudlogging)”,以有助于精炼钻掘方向。在泥浆测井的一个方面,分析返回到地面的钻井液以确定进入井下钻井液中的成分的存在。例如,如果沿流路300逸出的流体是二氧化碳,则返回到地面的钻井液中二氧化碳的增加确认了第二井眼400与流路300相交。可对于沿流路300逸出的任何流体执行相似的分析。
作为再又一个示例,可分析在钻井液中被携载至表面的钻屑来确定它们的矿物学和/或元素含量。如果泄漏流路300驻留在已知类型的岩石中(例如,基于在区域或调查井中以前的地震工作已知的),当钻屑的分析示出岩石(已知流路300驻留在其中)的类型增加时,这可表示第二井眼400与流路300相交。所述的测井设备和系统的使用只是示意性的,本领域普通技术的人员现在理解,相交的目的是为了补救地下区域之间的泄漏,可以基于所存在的特定情况来选择一套测井工具以精炼相交井眼的方向。
返回到图5,一旦第二井眼500已经与流路300相交,根据各个实施例,把通过井眼500密封化合物放置在流路300中。化合物可以是上述各种化合物中的任何一种,以及它们的组合。
相对于进行表面变形的测量,至此讨论的各种实施例已经依靠,至少部分地,依靠基于表面的设备,诸如基于GPS的高度测量以及基于倾斜仪的测量。此外,基于InSAR的读数同样产生表面高度变化的指示。然而,根据各个实施例进行指示表面变形的读数不局限于直接表示表面变形的读数。
根据至少一些实施例,可在其它位置进行测量,诸如在接近地下区域的井眼中,但是在一些情况中,与地面相比更接近地下区域。特定地,图8示出与图2的系统相似的一个系统,但是其中除了基于表面的测量设备112以及116,系统还包括多个次表面测量设备800和802。又更特定地,根据至少一些实施例,可在相应的井眼804和806中设置基于倾斜仪的设备800和802。所示的井眼804和806可采用任何形式。在一些情况中,井眼804和806是特别钻掘的用于监测地下区域104的专用监测井眼,诸如用于永久地或半永久地安装的地震传感器。在又一些其它情况中,井眼804和806可以是有效的和/或废弃的碳氢化合物生产井。不管井眼804和806的精确性质,在一些实施例中,把倾斜仪放置在更接近地下区域的井眼中。以此方式,基于倾斜仪的测量对注入流体束(fluidplume)和泄漏的位置更敏感,如此的测量还指示表面变形。当确定是否存在来自地下区域104的泄漏和/或泄漏的方向时,可组合所有测量设备的变形信息。
至此各个实施例已经参考了未淹没表面的表面变形的观察;然而,各个实施例还可以应用于离岸作业。图9示出离岸碳氢化合物油田的立体剖视图,以便说明各个实施例中使用的概念。特定地,图9示出与井眼(没有具体地示出)相关联的井口900。井口900示意性地与示出为平台902的漂浮容器相关联。在完井的情况中,平台902可以是生产平台,或在更活动的油田中,平台902可以是钻井平台。
像基于陆地的系统一样,把基于倾斜仪测量形式(对于“倾斜仪”再次标注为TM)的多个变形测量设备904(三个这样的设备标注为904A、904B和904C,但是没有标注所示出的附加设备)放置在接近海底906处。为了本公开和权利要求书的目的,海底906是被水覆盖的地球的表面。从技术基础上来说,测量设备904可以是与它们基于陆地的那些设备相同的设备,但是被密封在防水和抗压力的容器中的。可以任何合适的方式把测量设备904放置在海底906附近,诸如通过挖沟、吸力锚、重力部署锚,放在通过钻或加权系统(weightedsystem)的远程操作车辆(ROV)创建的孔中。在一些情况中,可在海底906处进行基于倾斜仪的测量,在又一些情况中,测量设备904可稍微高于海底906,锚以某种形式向下延伸到海底904。再进一步,测量设备904可以埋在某个距离处(在海底的20到40英尺之内),还可考虑接近表面。
进行表面变形确定的测量设备904和计算机系统之间的通信可采用许多形式。例如,测量设备可配备声学传输设备,所述声学传输设备使每个测量设备周期性地(例如,按分钟、按小时、按天或变化驱动)把其相应的测量值发送到声学接收器,诸如平台902上的声学接收器。通过从测量设备904A发出的声波907示出与平台之间的声学通信。平台902上的计算机系统,按需进行表面变形确定,或计算机系统把数据发送到基于陆地的站908,诸如通过卫星910的方式。在其它情况中,可通过通信电缆912把测量设备通信地耦合到基于陆地的站908。通信电缆可采用任何合适的形式,诸如光纤电缆、电导体、或组合。在特定的实施例中,把测量设备904部署在通信电缆中以致通信电缆912的部署同样部署了测量设备904。
测量值的传送不局限于与平台之间的声学通信或通过通信电缆。在其它实施例中,测量设备可与漂浮在水顶部处或接近水顶部的任何合适的容器进行声学通信。例如,说明性地示出测量设备904C与浮标916的声学通信(通过声波914的方式)。所示的浮标916可使用任何合适的系统传送读数,诸如点-对-点电磁波通信、蜂窝系统、或使用卫星901的通信。
对于相当浅的地下区域和/或表面变形的短期测量(例如,数小时、数天、数个月),在接近已知位置处设置多个基于倾斜仪的测量设备904可足以确定表面变形。然而,对于较深的地下区域和/或较长期测量(例如,数月、数年),可需要已知测量设备的位置。然而,因为GPS信号不能够穿透水,所以不可得到直接的基于GPS的测量设备的定位。可使用数个水下定位系统来得到具有变化精确度的位置。接着讨论示例性定位系统。
一个这样的水下定位系统使用通过海底904上的水传播的声波。特定地,可把声学发射器放置在基站位置处(例如,井口900)。发射器可发射通过水传播到测量设备904的声波。在一些实施例中,可将每个测量设备904设置为或具有声学反射器。从测量设备的反射部分反射声波,并且在基站位置处接收回。基于声波的往返时间以及声波通过水行进的速度(因变于温度、盐度),可确定基站位置和每个测量设备904之间的距离。在其中基站位置具有接收器阵列的情况中,还可确定从基站位置到测量设备的相对方位。在这个示意性情况中,一旦确定了初始距离/方位,表面变形就可改变基站位置和测量设备之间的斜距距离和/或方位。因此,斜距距离和/或方位的变化,可能结合了测量设备处的倾斜变化,可指示该位置处的表面变形。
在其它情况中,每个测量设备具有接收器来接收电磁波。基于电磁波到达时间,以及可能编码在电磁波中的数据(例如,发射电磁波的精确时间),测量设备本身可确定基站和测量设备之间的精确的距离。测量设备904可提供通过其它通信手段确定的距离,诸如通过具有漂浮容器(例如,平台902或浮标916)的声学通信,其中位于漂浮容器上的计算机可利用该信息或把该信息传送到基于陆地的站908。再进一步,在测量设备通过通信电缆通信地耦合到基于陆地的站908的情况中,可通过通信耦合传送距离信息。
另一个说明性水下定位系统使用通过海底904传播的声波。特定地,可在基站位置处(例如,井口900)放置声学发射器。声学发射器可发射通过海底传播到测量设备904的声波。在一些实施例中,每个测量设备904可包括地震检测器。通过地震检测器检测声波,并且基于测量设备处的声波到达时间,可确定基站位置和测量设备904之间的精确距离。在一些情况中,测量设备本身可进行距离确定,但是在其它情况中,把声波到达时间信息(例如,通过声学系统到漂浮容器,或通过电缆的通信耦合)传送到一个或多个其它计算机系统进行距离确定。一旦确定了基站位置和测量设备之间的初始位置,表面变形可以改变基站位置和测量设备之间的斜距距离。因此,斜距距离的变化,可能结合测量设备处的倾斜变化,可指示该位置处的表面变形。
另一个水下定位系统使用通过海底传播的电磁波。特定地,可在基站位置处(例如,井口900)设置电磁发射器。发射器可发射通过海底906传播到测量设备904的电磁波。在一些实施例中,测量设备904可包括电磁反射器。从反射器反射电磁波,并且在基站位置处接收回。基于电磁波的往返时间以及电磁波通过海底的沉淀物(sediment)行进的速度,可确定基站位置和每个测量设备904之间的精确距离。在这说明性的情况中,一旦确定了初始距离,表面变形就可以改变基站位置和测量设备之间的斜距距离。因此,斜距距离的变化,可能结合测量设备处的倾斜变化,可指示该位置处的表面变形。
在其它情况中,每个测量设备具有接收声学定位信号的声学接收器。在一些实施例中,还可在具有一个或多个漂浮容器的双向声学通信中使用用于距离测量的声学接收器。基于声波的到达时间,以及可能编码在声波中的数据(例如,发射声波的精确时间),测量设备本身可确定基站和测量设备之间的精确距离。测量设备904可通过其它通信手段把确定的距离提供给其它设备,诸如通过具有漂浮容器(例如,平台902或浮标916)的声学通信,其中漂浮容器上的计算机可以利用该信息或把该信息传送给基于陆地的站908。再进一步,在测量设备通过通信电缆通信地耦合到基于陆地的站908的情况中,可通过通信耦合的方式来传送距离信息。
仍参考图9,根据又一些其它实施例,可使用多个漂浮容器来确定位置(包括高度)。特定地,图9中每个示意性的漂浮容器(即,平台902以及浮标916、918和920)可基于从用于位置确定的GPS卫星和基于陆地的站114和/或地面无线电系统接收到的信号来确定它们相应的实时地理空间位置(包括高度)。每个漂浮容器继而可向测量设备904声学地广播定时信号和位置信息。接收来自漂浮容器的多个(例如,四个或更多个)声学信号的测量设备可确定精确的地理空间位置。即,考虑从每个漂浮容器来的信号的相对到达时间、当发射声学信号时每个漂浮容器的位置(嵌入在声学信号中)、以及水中声音的速度,每个测量设备可计算地理空间位置(包括高度)。
相关于漂浮容器,一旦设备已经“锁定”到一系列的GPS卫星信号,很快(数十毫秒或更少)就会发生位置的计算。因此,在平静的海洋中,在确定位置(以及高度)、以及向测量设备904声学地广播位置之间,漂浮容器的绝对高度变化极小。然而,在浪高的海洋中,漂浮容器的位置会快速变化,使得通过测量设备做出的位置的确定较不正确。此外,在浪极高的海洋中,接近水平面处从卫星接收到的GPS信号可能是零星的,不利地影响测量设备904确定位置的能力。然而,由于表面变形是相当慢的过程,可基于跨越数天、数星期或数月的数据进行存在表面变形的确定,由于高海浪而临时性不能精确计算位置不会影响系统不可使用。
在被水覆盖的表面的表面变形的情况中,可不能得到InSar测量值。然而,当确定泄漏时,通过增加的测量设备的数量或安装附加的设备,可对不能够使用InSAR类型系统进行补偿。例如,如果离岸二氧化碳封存作业开始示出下沉,则可以假定有泄漏,并且因此可安装附加的测量设备(可能是临时性的),以标识泄漏进行的方向。
一旦确定流路超出离岸地下区域,则可使用上述任何补救技术,包括在适当的情况中使用钻井平台来钻掘新井眼以与流路相交。然而,如果钻掘附加的井眼成本较高,则在许多情况中,将选择通过现有井眼(不管是碳氢化合物生产的或用于注入二次开发流体的)的补救措施。
图10示出根据至少一些实施例的方法。特定地,该方法开始(框1000)并且进行到:通过第一井眼在地下区域中注入第一流体(框1002);进行表示表面变形的读数(框1004);基于表面变形读数标识离开地下区域的第二流体的流路(框1006);以及将化合物放置到流路中,化合物减少通过流路的第二流体的流动(框1010)。此后,该方法结束(框1012)。
上述讨论意味着示意性的原理以及本发明的各个实施例。对于熟悉本领域技术的人员来说,一旦充分理解上述揭示,许多变型和修改都是显而易见的。例如,当讨论到二氧化碳封存时,使用表面变形来标识泄漏,并且可对于任何类型的封存以及非封存使用来使用密封泄漏,对于非隔绝使用诸如是注入任何合适流体(诸如蒸汽、二氧化碳、水、氮气、天然气、废水、和/或空气)的二次开发技术。再有,尽管各个实施例依靠表面变形的测量,但通过其它数据可增强这样的测量,诸如来自配备有仪器的井的实时温度以及压力数据,这些仪器是连接到光纤电缆的传感器、地震检波器、和/或加速度计(例如,“收听”泄漏和/或泄漏路径),以及在离岸安装情况中的检测深度的压力传感器。旨在把下述权利要求书解释为包括所有如此的变型以及修改。
Claims (19)
1.一种方法,包括:
将第一流体注入地下区域,所述注入通过第一井眼的方式;且然后
读取表示表面变形的读数;
基于表示表面变形的所述读数,来标识流出所述地下区域外的第二流体的流路;以及
在所述流路中放置化合物,所述化合物减少所述第二流体通过所述流路的流动。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,放置所述化合物还包括通过井眼注入所述化合物,其中所述化合物与所述第二流体化学反应且藉此减少所述第二流体的流动。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,通过井眼注入所述化合物还包括选自下列组中的至少一项:通过指定用于注入二次开发流体的井眼来注入;通过指定用于碳氢化合物提取的井眼来注入;以及通过钻掘为与所述流路相交的井眼来注入。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,注入所述第一流体还包括在所述地下区域中封存二氧化碳。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述注入第一流体还包括注入第一流体以增加来自所述地下区域的碳氢化合物生产。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述注入第一流体还包括注入选自下列组中的至少一项:蒸汽;二氧化碳;水;以及空气。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,放置所述化合物还包括放置堆积在流路中的化合物且藉此减少所述第二流体的流动。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,放置所述化合物还包括放置一化合物,该化合物与所述第二流体化学反应从而稠化成渗透性降低的物质。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,读取表示表面变形的读数还包括:进行表面高度的干涉合成孔径雷达测量。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,读取表示表面变形的读数还包括:
进行漂浮容器位置的基于全球定位系统GPS的测量;以及
进行部署于海底上的测量设备的位置测量,所述位置测量基于通过漂浮容器广播的信号。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,进行位置测量还包括读取部署于海底的多个倾斜仪的位置。
12.如权利要求1所述的方法,其特征在于,读取表示表面变形的读数还包括从部署于接近所述地下区域的井眼中的至少一个倾斜仪获取读数。
13.如权利要求1所述的方法,其特征在于,读取表示表面变形的读数还包括组合来自两个或多个测量类型的读数以确定所述表面变形,所述两个或多个测量类型选自包括如下项的组:多个漂浮容器的基于全球定位系统GPS的高度测量;部署于海底上的多个测量设备的基于声学的位置测量;以及基于测斜仪的表面倾斜变化测量。
14.一种方法,包括:
将第一流体注入地下区域,所述注入通过第一井眼的方式,且所述地下区域至少部分地驻留在部署于地球表面上的水体下;且然后
读取表示位于所述地下区域上的一部分海底的变形的读数;
基于表示变形的所述读数,来标识流出所述地下区域外的第二流体的流路;以及
将化合物放置到所述流路中,所述化合物减少所述第二流体通过所述流路的流动。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,注入所述第一流体还包括在所述地下区域中封存二氧化碳。
16.如权利要求14所述的方法,其特征在于,注入所述第一流体还包括注入所述第一流体以增加来自所述地下区域的碳氢化合物生产。
17.如权利要求14所述的方法,其特征在于,读取表示表面变形的读数还包括:
进行多个漂浮容器的位置的基于全球定位系统GPS的测量;以及
进行部署于海底上的多个测量设备的位置测量,所述位置测量利用所述漂浮容器。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述位置测量还包括读取部署于海底的多个倾斜仪的位置。
19.如权利要求17所述的方法,其特征在于,进行位置测量还包括使用通过多个漂浮容器和所述测量设备之间的水来传播的声学信号进行位置测量。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151223 Termination date: 20171112 |