CN104737035A

CN104737035A - 用于利用电磁源检测岩层中的断裂的系统和方法

Info

Publication number: CN104737035A
Application number: CN201380053718.0A
Authority: CN
Inventors: G·M·霍弗斯滕; D·L·阿伦鲍
Original assignee: Chevron USA Inc
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: EP2962135A1; AU2013379716B2; EP2962135B1; CN104737035B; US20140239956A1; AU2013379716A1; US9377552B2; CA2885065A1; WO2014133607A1

Abstract

本发明提供了一种用于检测岩层中的断裂或断裂区块的表面电磁勘探系统和方法。所述系统包括电磁源，其被配置成在岩层的附近或其表面处生成电磁场。所述电磁源包括被设置生成基本上垂直的电场的一个或多个电偶极源。所述系统还包括：与电磁源相关联的电磁接收器，所述电磁接收器被配置成测量岩层表面处的电磁场的分量；以及处理器，其被配置成把在电磁接收器处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应。所述电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块的特性参数的信息。

Description

用于利用电磁源检测岩层中的断裂的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测岩层中的断裂的系统和方法。

背景技术

含油气地层(hydrocarbon bearing formation)的水力压裂(hydro-frac)是在世界范围内的传统和非传统油气储藏中所应用的一种生产增强技术。在其中使用水力压裂(hydro-fracking)的储藏中，通过由每一处破裂或断裂区块所排出的假定储藏体积来管理井的放置。对于水力压裂区块的尺寸的不准确表征导致比起高效地排出给定储藏所必要的情况钻探更多的井。如果能够更加准确地确定断裂区块的大小，则可以导致井规划和钻探方面的高效率。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于检测岩层中的断裂或断裂区块的表面电磁(EM)勘探系统。所述系统包括电磁源，其被配置成在岩层的附近或其表面处生成电磁场。所述电磁源包括设置在所述表面附近或者设置在所述表面处的一个或多个电偶极源，以生成基本上垂直的电场。例如在一个实施例中，所述一个或多个电偶极源可以被垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处。在另一个实施例中，可以将多个(例如4个到8个之间)水平接地电偶极围绕一个中心点径向地指向，从而在表面下的所述多个水平电偶极的中心下方产生基本上垂直的电场。所述垂直布置的电偶极或者所述水平电偶极源阵列在后文中将被称作VED源。所述系统还包括与电磁源相关联的电磁接收器，所述电磁接收器被配置成测量岩层表面处的电磁场的一个分量。所述系统还包括处理器，其被配置成把在电磁接收器处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应。所述电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块的特性参数的信息。

本发明的另一方面是提供一种用于利用表面电磁(EM)勘探系统检测岩层中的断裂或断裂区块的方法。所述方法包括：利用电磁源在岩层的附近或其表面处生成电磁场。所述电磁源包括设置在所述表面附近或者设置在所述表面处的一个或多个电偶极源，以生成基本上垂直的电场。例如在一个实施例中，所述一个或多个电偶极源可以被垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处。在另一个实施例中，可以将多个(例如4个到8个之间)水平接地电偶极围绕一个中心点径向地指向，从而在表面下的所述多个水平电偶极的中心下方产生基本上垂直的电场。所述垂直布置的电偶极或者所述水平电偶极源阵列在后文中将被称作VED源。所述方法还包括：利用与电磁源相关联的电磁接收器测量岩层表面处的电磁场的一个分量；以及利用处理器把所述电磁场的分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应。所测量的电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块的特性参数的信息。

虽然根据本发明的一个实施例的方法的各个步骤在前面的段落中被描述成按照特定顺序发生，但是本申请不受限于各个步骤的发生顺序。实际上在替换实施例中，可以按照与前面所描述或者在这里的其他方面描述的顺序不同的顺序来执行各个步骤。

通过参照附图考虑后面的描述和所附权利要求书，本发明的前述和其他目的、特征和特性、有关结构单元的操作方法和功能以及制造的部件组合和经济性将变得更加显而易见，所有这些构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记在各幅图中指代相应的部件。但是应当明确理解的是，附图仅仅是出于说明和描述的目的，而不意图作为本发明的限制的定义。除非上下文明确地另有所指，否则在说明书和权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一项”也包括复数形式。

附图说明

在附图中：

图1A描绘出根据本发明的一个实施例的用于检测岩层中的断裂的表面电磁(EM)勘探系统；

图1B是根据本发明的一个实施例的包括模拟井和模拟断裂区块的模拟北-南(NS)深度剖面的剖面图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的断裂所处的深度处的模拟深度剖面的剖面图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的被水平电偶极接收器围绕的垂直电偶极(VED)源的星形图案；

图4是根据本发明的一个实施例的时域内的响应百分比改变的三维表示，其是时间对数和沿着对应于图1B和2中所示的断裂区块的Y轴(即NS方向)的位置的函数；以及

图5是根据本发明的另一个实施例的时域内的响应百分比改变(C)的三维表示，其是时间对数和沿着对应于图1B和2中所示的断裂区块的Y轴(即NS方向)的位置的函数。

具体实施方式

所述用于利用垂直电偶极检测岩层内的断裂的系统和方法可以改进从表面电磁测量绘制断裂区块的地图的能力。

图1A描绘出根据本发明的一个实施例的用于检测岩层101中的断裂或断裂区块110的表面电磁(EM)勘探系统100。系统100包括电磁源102，其被配置成在岩层101的附近或其表面103处生成电磁场。电磁源102可以包括设置在表面103附近的一个或多个电偶极源，以生成基本上垂直的电场。例如在一个实施例中，所述一个或多个电偶极源可以被垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处。在另一个实施例中，可以将多个(例如4个到8个之间)水平接地电偶极围绕一个中心点径向地指向，从而在表面下的所述多个水平电偶极的中心下方产生基本上垂直的电场。系统100还包括与电磁源102相关联的电磁接收器104。电磁接收器104被配置成测量岩层101的表面103处的电磁场的分量。系统100还包括与源102和接收器104通信的处理器106。处理器106被配置成把在电磁接收器104处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源102的每单位磁矩的电磁场响应。所述电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块110的特性或特性参数的信息。在一个实施例中，所述断裂的特性可以包括所述断裂或断裂区块的指向、所述断裂或断裂区块的位置、所述断裂或断裂区块的大小或者所述断裂或断裂区块的范围或者其任意组合。

在一个实施例中，系统100还可以包括与处理器106通信的显示系统108，以显示或者提供电磁场响应的视觉表示。

在一个实施例中，电磁源102可以包括一个或多个电偶极源。在一个实施例中，电磁接收器104可以包括一个或多个电场或磁场接收器。在后面的段落中，将结合模拟系统或模拟数据响应来进一步描述前面的系统100。但是可以认识到，前面的系统100可以被实施在真实现场测量中。

图1B是根据本发明的一个实施例的包括模拟井12和模拟断裂区块14的模拟北-南(NS)深度剖面10的剖面图。剖面10的垂直轴(或z轴)代表深度。剖面10的水平轴(y轴)代表沿着深度剖面10的NS方向的距离。在该例中，模拟井12位于y轴上的距离0处，并且位于近似1990米到近似2590米之间的深度处。模拟电磁源包括垂直电偶极(VED)16，并且包括水平电偶极(HED)18的接收器被布置在表面17处或者其附近。在该实施例中示出了垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处的多个电偶极源16。但是正如在前面的段落中所阐述的那样，在另一个实施例中，可以将多个(例如4个到8个之间)水平接地电偶极围绕一个中心点径向地指向，从而在表面下的所述多个水平电偶极的中心下方产生主体上或基本上垂直的电场。所述垂直布置的电偶极16或水平电偶极源阵列在这里被视为都产生垂直指向的电场的VED源。

这一系统被称作VED-HED系统。在该实施例中，VED源16被布置在表面17附近，例如被布置在钻孔内的浅深度处(例如z轴上的近似100m到近似200m之间)。术语“浅深度”是相对术语，其被用来表明钻孔的深度小于处在1500米到3000米或更深的范围内的断裂的深度位置。HED接收器18被布置在表面17上(例如z轴上的0m处)。HED表面接收器18可以是商用多瞬态电磁(MTEM)接收器，或者是使用在油气或采矿勘测应用中的任何类型的商用电磁(EM)接收器。

图2示出了根据本发明的一个实施例的断裂所处的深度处(例如大约2200米处)的模拟深度剖面20的剖面图。深度剖面20的垂直轴(y轴)代表沿着深度剖面20的NS方向的距离。深度剖面20的水平轴(x轴)代表沿着深度剖面20的东-西(EW)方向的距离。NS深度剖面10在其中被表示为线10。模拟井12也被表示在图2中。模拟断裂区块14也被示出在深度剖面20中并且由一个椭圆形定界。模拟断裂区块14由具有大约740米长度的一个椭圆区段近似。

在一个实施例中，可以通过经由井将导电流体注入到岩层中来产生断裂区块14，所述导电流体通过取代自然存在于岩层内的孔隙、裂缝和断裂中的导电性较低的流体而提高了断裂岩层的电导率。可以利用等效介质(equivalent media)理论来计算在X、Y和Z方向上具有给定断裂密度的一定岩石体积的各向异性电导率，此类理论的一个实例是由Berryman和Hoversten发展的理论。

为了在使得岩层断裂(例如水力压裂岩层)之后随着断裂区块属性的改变找到并确定所述属性，必须由所述改变产生相对较大的响应。为了携带足以通过任何逆成像方法进行定位和区分的信息，所测量的响应必须大于所测量的响应中的任何其他噪声源。虽然在这里使用了术语“水力压裂”(“hydro-fracturing”或“hydro-fracking”)，但是所述断裂不限于水力压裂。实际上可以使用任何类型的断裂机制在岩层内产生或生成断裂，其中包括而不限于水力压裂、液体压裂、振动断裂、爆炸断裂等等。

在一个实施例中，通过作为在关闭向VED源16供能的传送器中的阶梯函数之后的时间的函数计算来自VED源16的HED响应，模拟HED接收器18的响应。实施两项计算。计算断裂(例如水力压裂)之前的系统VED-HED对未受扰动的背景的第一响应R1，其中不存在断裂区块。随后确定如图1和2中所示的在断裂(例如水力压裂)之后存在断裂区块的情况下的第二响应R2。随后将所述两项响应(第一和第二响应)求差(R2-R1)，并且可以例如使用等式(1)作为空间和时间的函数计算百分比改变(C)。

C = (\frac{R 2 - R 1}{R 1}) * 100 - - - (1)

图3示出了根据本发明的一个实施例的被HED接收器18围绕的VED源16的星形图案。在每一个HED接收器18处测量北-南(NS)和东-西(EW)全部两个指向的电场E。虽然在该例中所描述的是测量电场E，但是可以认识到，也可以替换地测量磁场B。

在该例中，VED源16和HED接收器18被设置在如图3中所示的“星形”配置中，其中使用与一个VED源16相关联的四个HED接收器18。但是可以认识到，可以采用VED源16和HED接收器18配置的许多可能的组合。举例来说，可以与一个、两个或更多HED接收器18相结合地使用一个VED源。可以根据背景和到断裂区块的深度来选择所期望的配置。如图3中所示，VED源16和HED接收器18彼此间隔开距离“L”。在本例中，分隔HED接收器18和VED源16的距离L是近似100米。在一个实施例中，VED源16和HED接收器18的星形图案被放置在沿着图2中所示的y轴方向的从-1000米到+1000米的北-南(NS)线的规则间隔(例如50米)处。每一个HED源16的长度是100m。

在一个实施例中，从断裂之前(例如水力压裂之前)的第一响应(R1)减去来自NS指向对VED源16-HED接收器18A(HED接收器18A在垂直于y轴的正方向上领先VED源16)的第二响应(R2)，从而产生百分比差改变(C)。在该实施例中，HED接收器18A处在不同于VED源16的y位置处。所述接收器-源(即VED源16和HED接收器18)都处在NS线10中并且沿着该NS线10移动。可以作为EW位置和关闭传送器之后的时间的函数将所述结果绘制成百分比改变(C)的周线曲线图。

图4是根据本发明的一个实施例的时域内的响应百分比改变(C)的周线曲线图，其是时间对数和沿着对应于图1B和2中所示的断裂区块的Y轴(即NS方向)的位置的函数。在该实施例中，由HED接收器18A接收到的电场相对于VED源16和HED接收器18A的指向是沿着NS方向，并且在图4中的插入方框中示出。在图4中可以注意到，电场响应中的最大百分比改变(C)对于表面以下的大约2000米处的断裂区块14是超出50％。此外，断裂区块14的横向范围由两条垂直线24和25定界。

如图4中所示，对于其中接收到电信号的HED接收器18A沿着NS方向领先VED源16的配置(参见图4中插入的方框)，百分比改变(C)围绕断裂区块位置或井位置是非对称的。此外，百分比改变在井位置附近表现出最小值。最大值响应百分比改变在NS方向上的大约1000米处发生。此外，从图4还可以注意到，最大响应百分比改变发生在关闭传送器(即关闭VED源16)之后近似一秒的时间处。

在另一个实施例中，从断裂之前(例如水力压裂之前)的第一响应(R1)减去来自EW指向对VED源16-HED接收器18B(HED接收器18B在沿着的EW的正方向上领先VED源16)的第二响应(R2)，从而产生百分比差改变(C)。在该实施例中，HED接收器18B处在与VED源16相同的Y位置处。整个源-接收器阵列在NS方向上沿着线10移动。在该实施例中，使用恰好处于VED源16东侧的HED位置18B处的EW指向的电场(接收器18和源16被布置在与NS方向或者所述接收器和源沿之移动的线10基本上垂直的一条线中)。同样可以作为沿着NS方向的北-南位置和关闭传送器之后的时间的函数将所述结果绘制成百分比改变(C)的周线曲线图。

图5是根据本发明的一个实施例的时域内的响应百分比改变(C)的周线曲线图，其是时间对数和沿着对应于图1B和2中所示的断裂区块的Y轴(即NS方向)的位置的函数。在该实施例中，由HED接收器18B接收到的电场相对于VED源16和HED接收器18B的指向在图5中的插入方框中示出。断裂区块14的横向范围由两条垂直线24和25定界。

在这种情况下，由于所述源-接收器配置(即HED接收器18B和VED源16配置)关于断裂区块14的几何结构是对称的，因此百分比改变电响应也是对称的。在这种情况下，EW指向的电场E没有像对应于图4中所示的配置的情况那样最大地耦合到断裂区块14的长轴。其结果是最大改变响应较低。但是由于断裂区块相对较大，因此可以检测到近似25％的响应改变。

在前面的实例中，在时域内捕获百分比响应改变，其中绘制幅度和时间的曲线图(参见图4和5)并且对其进行分析。但是还可以在频域内捕获百分比响应改变，其中可以绘制幅度和相位的曲线图。可以通过使用由频域内的百分比响应改变提供的信息来检测和测量断裂的存在。

与现场采集期间的预期噪声水平相比，在前面的实例中示出的响应改变较大。因此，这里所描述的电磁测量系统具有用于监测断裂区块的巨大潜力。百分比响应改变本身可以提供关于断裂的空间指向、断裂的位置、断裂的大小、断裂的范围或者其任意组合的信息。此外还预期到，通过对由接收器18收集的所采集的电数据信息进行转化，还可以对断裂区块的电导率进行量化。可以从断裂区块电属性估计断裂范围和密度。此外，由于这些测量可以从表面进行，因此这些测量代表与需要接进井的任何测量技术相比具有显著成本节省的一种新的监测能力。

从前面的段落可以认识到，还提供了一种用于利用表面电磁(EM)勘探系统检测岩层中的断裂的方法。所述方法包括：利用电磁源(例如源102、16)在岩层的附近或其表面处生成电磁场；利用与电磁源(106、16)相关联的电磁接收器(例如接收器104、18)测量岩层表面处的电磁场的分量；以及利用处理器(例如处理器106)把在电磁接收器处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应，其中所述电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块的特性数据的信息。在一个实施例中，所述特性数据可以包括所述断裂或断裂区块的指向、所述断裂或断裂区块的位置、所述断裂或断裂区块的大小或者所述断裂或断裂区块的范围或者其任意组合。

在一个实施例中，前面所描述的一种或多种方法可以被实施成能够由计算机执行的一系列指令。可以认识到，这里所使用的术语“计算机”意图涵盖任何类型的计算系统或器件，其中包括个人计算机(例如台式计算机、膝上型计算机或者任何其他手持式计算器件)、或者大型计算机(例如IBM大型计算机)、或者超级计算机(例如CRAY计算机)或者分布式计算环境中的多台联网计算机。

举例来说，所述(多种)方法可以被实施成软件程序应用，其可以被存储在计算机可读介质中，比如硬盘、CDROM、光盘、DVD、磁光盘、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光学卡、闪存卡(例如USB闪存卡)、PCMCIA存储器卡、智能卡或者其他介质。

或者，可以通过网络从远程计算机或服务器下载整个软件程序产品的一部分，所述网络比如是因特网、ATM网络、广域网(WAN)或局域网。

或者，作为针对将所述方法实施成具体实现在计算机中的(多种)计算机程序产品(例如软件产品)的替换或补充，所述方法可以被实施成硬件，其中例如可以将专用集成电路(ASIC)设计来实施所述方法。

虽然在前面基于当前被视为最实际并且优选的实施例出于说明的目的详细描述了本发明，但是应当理解的是，这样的细节仅仅是出于说明的目的，并且本发明不受限于所公开的实施例，而是相反地意图涵盖落在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效设置。举例来说，应当理解的是，本发明设想到在可能的情况下，可以将任何实施例的一项或更多项特征与任何其他实施例的一项或更多项特征相组合。

此外，由于本领域技术人员将很容易想到许多修改和改变，因此不希望把本发明限制到这里所描述的确切构造和操作。因此，所有适当的修改和等效方案都应当被视为落在本发明的精神和范围内。

Claims

1.一种用于检测岩层中的断裂或断裂区块的表面电磁(EM)勘探系统，所述系统包括：

电磁源，其被配置成在岩层的附近或其表面处生成电磁场，其中所述电磁源包括设置在所述表面附近或者设置在所述表面处的一个或多个电偶极源，以生成基本上垂直的电场；

与电磁源相关联的电磁接收器，所述电磁接收器被配置成测量岩层表面处的电磁场的分量；以及

处理器，其被配置成把在电磁接收器处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应，其中所述电磁场响应提供关于所述断裂或断裂区块的特性参数的信息。

2.根据权利要求1的系统，其中，所述一个或多个电偶极源被垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处。

3.根据权利要求1的系统，其中，所述电磁源包括水平地布置并且围绕中心点径向地指向的多个电偶极源，从而在所述中心点下方产生基本上垂直的电场。

4.根据权利要求1的系统，其中，所述断裂或断裂区块的特性参数包括所述断裂或断裂区块的指向、所述断裂或断裂区块的位置、所述断裂或断裂区块的大小、或者所述断裂或断裂区块的范围、或者其任意组合。

5.根据权利要求1的系统，其中，所述电磁接收器包括被配置成在时域内或者在频域内进行测量的一个或多个电场或磁场接收器。

6.根据权利要求1的系统，其中，所述电磁接收器被配置成在使得岩层断裂之前测量所述电磁场的分量以获得第一电磁响应，并且在使得岩层断裂之后测量所述电磁场的分量以获得第二电磁响应，其中使得岩层断裂包括将导电流体注入到岩层中，以通过取代自然存在于岩层内的导电性较低的流体来提高岩层的电导率。

7.根据权利要求6的系统，其中，所述电磁源和电磁接收器被布置在一条线内，所述电磁源和电磁接收器被沿着这条线移动，其中由电磁接收器接收的电磁场的分量沿着这条线。

8.根据权利要求6的系统，其中，所述电磁源和电磁接收器被布置在与沿其移动所述电磁源和电磁接收器的线基本上垂直的一条线中。

9.根据权利要求1的系统，其中，所述电磁场响应提供关于断裂区块几何结构的信息，包括指向、范围或密度或者其任意组合。

10.一种用于利用表面电磁(EM)勘探系统检测岩层中的断裂或断裂区块的方法，所述方法包括：

利用电磁源在岩层的附近或其表面处生成电磁场，所述电磁源包括设置在所述表面附近或者设置在所述表面处的一个或多个电偶极源，以生成基本上垂直的电场；

利用与电磁源相关联的电磁接收器测量岩层表面处的电磁场的分量；以及

利用处理器把在电磁接收器处测量的电磁场的所测分量转换成电磁源的每单位磁矩的电磁场响应，其中所述电磁场响应提供关于所述断裂的特性参数的信息，其中所述断裂或断裂区块的特性参数包括所述断裂或断裂区块的指向、所述断裂或断裂区块的位置、所述断裂或断裂区块的大小、或者所述断裂或断裂区块的范围或者其任意组合。

11.根据权利要求10的方法，其中，利用电磁源生成电磁场包括利用被垂直地布置在岩层内的距离表面的浅深度处的一个或多个电偶极源生成基本上垂直的电场。

12.根据权利要求10的方法，其中，利用电磁源生成电磁场包括利用水平地布置并且围绕中心点径向地指向的多个电偶极源生成基本上垂直的电场，从而在所述中心点下方产生基本上垂直的电场。

13.根据权利要求10的方法，其中，所述测量包括通过电磁接收器在使得岩层断裂之前测量所述电磁场的分量以获得第一电磁响应，并且在使得岩层断裂之后测量所述电磁场的分量以获得第二电磁响应，其中使得岩层断裂包括将导电流体注入到岩层中，以通过取代自然存在于岩层内的孔隙、裂缝和断裂中的导电性较低的流体来提高岩层的电导率。

14.根据权利要求13的方法，还包括将电磁源和电磁接收器布置在沿其移动所述电磁源和电磁接收器的一条线内，由电磁接收器接收的电磁场的分量沿着这条线。

15.根据权利要求13的方法，还包括将电磁源和电磁接收器布置在与沿其移动所述电磁源和电磁接收器的线基本上垂直的一条线中。