CN104781497A - 使用井孔电磁源监控地下注入过程的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于提供岩层中的电磁测量的方法和系统。所述系统包括具有多个外罩部分(52B)的井孔外罩(50B)。所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分(53B)彼此电气隔离。所述系统还包括放置于地球的表面的电磁源(71A-C)，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分。所述电磁源被配置成给所述至少两个外罩部分供能以便在井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。
Description
技术领域
本发明涉及一种提供岩层中的电磁测量例如用于监控地下注入过程的系统和方法。
背景技术
石油和天然气工业中越来越多地使用对储层或地下注入过程的监控。通常的例子包括注水法监控，其中水被注入到储油层中以维持压力以及使油流通，以及确定传统或非传统储层中的水力压裂生长位置以优化井距。在一种例子中，在注水法的情况中，可使用电磁导电液体代替电阻性孔隙液体(即，油或气)。在另一种例子中，在CO2注入的情况中，也可使用电阻性液体代替电磁导电液体。在还有的另一种实施例中，在水力压裂的情况中，额外的多孔结构可被生成并且用导电液体填充。但是，在所有的情况中，岩体的电磁特性是改变的。岩体的电磁特性被注入的流体改变的事实，使得电磁地球物理技术成为用于监控注入过程的进展的天然方法并且因此确定所述液体在何处扩散。
由斯伦贝谢商业化的名为“DeepLook-EM”增强型电磁(EM)系统的传统电磁监控工具和成像系统，允许评价测井电阻率以获得流体分布。使用所述DeepLook-EM工具，磁偶极子源被放置在第一井中以产生磁场并且磁场检测器被放置在第二井中以测量所述磁场。因此，DeepLook-EM工具也被称为跨井(即，井之间的)EM技术。所述测量的结果是第一井和第二井之间的区域中的电阻率的二维(2D)或三维(3D)图像。DeepLook-EM工具在注水法监控中是有用的，但是要求第一和第二非生产井以恰当距离间隔开并且是同时可访问的。此外，当两个井用标准碳钢外罩罩住时，这暗示着要求专门的完井，此时不能使用DeepLook-EM工具。因此，DeepLook-EM工具并未广泛得以使用。
地下或海底的电磁(EM)测量也已经被调研以作为用于监控储层的生产和加工的方法。但是，由于传感器远离储层放置的事实，此配置的空间分辨率往往是差的。
上述两种技术的限制已经导致对地面到井孔(STB)或井孔到地面(BTS)技术越来越多的兴趣，所述技术提供在靠近井眼或井孔处具有与跨井技术类似的分辨率的潜力，但一次只使用一个井。图1绘出了传统BTS配置的概要表示。在此配置中，电磁源10放置在岩层12内的井孔11内部以产生电磁场，而一个或多个电磁检测器或接收器13放置在地球的表面14(即，岩层12的表面)以测量岩层12内的电磁场。
已知的所有技术都假定井是开口的并且因此可建立与岩层的直接接触。但是，许多储层可能不是这种情况。因此，需要新技术以克服以上传统技术的不足。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于提供岩层中的电磁测量的系统。所述系统包括具有多个外罩部分的井孔外罩，其中所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分彼此电气隔离。所述系统还包括放置于地球的表面的电磁源，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分，所述电磁源被配置成给所述至少两个外罩部分供能以便在井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。
本发明的另一个方面是提供一种用于提供岩层中的电磁测量的方法。所述方法包括在井孔中布置井孔外罩，所述井孔外罩具有多个外罩部分。所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分彼此电气隔离。所述方法还包括在地球的表面布置电磁源，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分；并且给所述至少两个外罩部分供能以便在井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。
尽管根据本发明的一种实施例的方法的各种步骤在以上段落中被描述为以特定顺序发生，但是本申请并不受限于所述各种步骤发生的顺序。实际上，在替代实施例中，所述各种步骤可以用不同于以上或者另外在本文中描述的顺序的顺序来执行。
本发明的这些和其他目标、特征、或特性，以及操作的方法和结构的相关元件的功能和各部分的组合和制造的经济性，在结合附图考虑以下描述和所附权利要求后会变得更加清晰，所述附图、以下描述和所附权利要求都是本说明书的一部分，其中相同的标号指代不同图中的对应部分。但是，明白可知的是，这些图仅是说明和描述目的并且不旨在作为本发明的定义限制。如在说明书和权利要求中使用的，单数形式的“一个”和“这个”包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
附图说明
在所述附图中：
图1绘出了传统井孔到地面(BTS)配置的概要表示；
图2是根据本发明的实施例的在岩层的大约2485米深处的电磁导电率的平均百分比变化(或平均电阻率的变化)的模拟等值线图；
图3A-3G是根据本发明的实施例，在关闭电磁源之后，将CO2注入到岩层之前的各个时间点处，在地球的表面放置的多个接收器测得的水平电磁场的模拟等值线图；
图4A-4H是根据本发明的实施例，在关闭电磁源之后，将CO2注入到岩层之后的各个时间点处，在地球的表面放置的多个接收器测得的水平电磁场的模拟等值线图；
图5A示出了标准井孔完井中的传统配置；
图5B-5D绘出了根据本发明的实施例的一些不同的外罩隔离配置；
图6A-6D绘出了根据本发明的各种实施例的用于提供井孔内的偶极子电磁源的各种电压配置；以及
图7A-7C绘出了根据本发明的各种实施例的用于跨两个外罩部分施加电压的各种配置。
具体实施方式
图2是根据本发明的实施例的在岩层的大约2485米深处的电磁导电率的平均百分比变化(或平均电阻率的变化)的模拟等值线图。竖直轴代表南北方向并且水平轴代表东西方向。此等值线图上也画出了提供CO2注入区域的轮廓的线20。当岩层经受由电磁源24产生的电磁场时，图2中的各种灰度等级提供了由接收器或检测器22接收的电磁信号的相对幅度。接收器22用“+”符号代表。每个接收器22都可以放置在岩层的表面或井孔内。电磁源24在图2中用符号“o”代表。在一种实施例中，电磁源放置在井孔内的大约200米深处。
图3A-3G是根据本发明的实施例，在关闭电磁源24之后，将CO2注入到岩层之前的各个时间点处，在地球的表面上定位的多个接收器22测得的水平电磁场的模拟等值线图。图3A是在关闭电磁源24的电磁场的0.01秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3B是在关闭电磁源24的电磁场的0.1秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3C是在关闭电磁源24的电磁场的0.33秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3D是在关闭电磁源24的电磁场的1秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3E是在关闭电磁源24的电磁场的3.3秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3F是在关闭电磁源24的电磁场的7秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图3G是在关闭电磁源24的电磁场的10秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。这些等值线图的竖直轴代表南北方向并且水平轴代表东西方向。各种灰度提供了由接收器22测得的电磁场的幅度(例如，以V/m)。“+”符号示出了接收器22的相对位置并且“o”符号示出了电磁源24的相对位置。尽管上述测量是使用放置在地球表面的接收器来执行的，但是上述测量也可以使用放置在一个或多个井孔内部的接收器来执行。
如图3A-3D所示，最初，在关闭电磁源之后的大约0.01秒到大约1秒的时间范围内，检测到的电磁场基本是以电磁源24的位置为中心并且相对于电磁源24的位置是对称的。具体地，最小电磁场以电磁源24的位置为中心。但是，如图3E-3G所示，在关闭电磁源的大约3.3秒到大约10秒的时间范围内，检测到的电磁场，尤其是最小电磁场，不再以电磁源24的位置为中心。所述最小的检测到的电磁场向西南(S-W)角漂移或迁移。此外，检测到的电磁场的等值线的对称性也被破坏。
图4A-4H是根据本发明的实施例，在关闭电磁源24之后，将CO2注入到岩层之后的各个时间点处，在地球的表面上定位的多个接收器22测得的水平电磁场的模拟等值线图。图4A是在关闭电磁源24的电磁场的0.01秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4B是在关闭电磁源24的电磁场的0.1秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4C是在关闭电磁源24的电磁场的0.33秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4D是在关闭电磁源24的电磁场的1秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4E是在关闭电磁源24的电磁场的1秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4D和4E代表了相同数据但是以不同密度尺度画出。
图4F是在关闭电磁源24的电磁场的3.3秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4G是在关闭电磁源24的电磁场的7秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。图4H是在关闭电磁源24的电磁场的10秒之后由接收器22接收的水平电磁场的等值线图。这些等值线图的竖直轴代表南北方向并且水平轴代表东西方向。各种灰度提供了由接收器22测得的电磁场的幅度(例如，以V/m)。
“+”符号示出了接收器22的相对位置并且“o”符号示出了电磁源24的相对位置。尽管上述测量是使用放置在地球表面的接收器来执行的，但是上述测量也可以使用放置在一个或多个井孔内部的接收器来执行。这些等值线图代表了从CO2注入之前的基础水平处测得的电磁场到CO2注入之后的大约49年时获得的电磁场之间的电磁场的百分比变化。
如图4A-4D所示，最初，在关闭电磁源之后的大约0.01秒到大约1秒的时间范围内，检测到的电磁场的百分比变化基本是平的，意味着在此时间段内电磁场从CO2注入之前到CO2注入之后并未显示出变化。但是，如图4E-4H所示，在关闭电磁源之后的大约1秒到大约10秒的时间范围内，CO2注入之前的电磁场与注入之后的电磁场之间的检测到的电磁场的百分比变化是清晰可见的。例如，在关闭电磁源24之后的1秒的时间段内，检测到的电磁场的百分比变化是大约10％的量级。随着关闭电磁源24之后的时间流逝，检测到的电磁场的百分比变化增加。例如，在关闭电磁源24之后的10秒处，所述百分比变化几乎达到100％。此外，如可在图4F-4H可注意到的，检测到的电磁场的百分比变化也变得不对称，其中检测到的电磁场的百分比变化的最大值向西南(S-W)迁移。上述模拟是使用劳伦斯伯克利国家实验室的3D有限元包来执行的。
为在现实环境中执行上述电磁场测量，本文提供了利用带电磁隔离区域的钢外罩修改标准井孔完井的系统和方法，其中电磁源(例如，电源)或者永久地安装在井内或者由电缆工具访问。
图5A示出了标准井孔完井中的传统配置。如图5A所示，外罩50A包括经由钢对钢外罩接头54A接合的多个外罩部分52A。外罩接头54A未电气隔离。图5B-5D绘出了根据本发明的实施例的一些不同的外罩隔离配置。图5B示出了根据本发明的实施例的具有单间隔完井的配置。如图5B所示，外罩50B包括经由钢对钢外罩接头54B接合的多个外罩部分52B。外罩接头54B未电气隔离。外罩50B也包括两个外罩部分53B之间的接头56B。外罩接头56B电气隔离两个邻接的外罩部分53B。
图5C和5D示出了根据本发明的实施例的具有双间隔完井和三间隔完井的井孔完井配置。如图5C所示，外罩50C包括经由钢对钢外罩接头54C接合的多个外罩部分52C。外罩接头54C未电气隔离。外罩50C也包括三个外罩部分53C之间的两个接头56C。接头56C电气隔离邻接的外罩部分53C。如图5D所示，外罩50D包括经由钢对钢外罩接头54D接合的多个外罩部分52D。外罩接头54D未隔离。外罩50D也包括四个外罩部分53D之间的接头56D。接头56D电气隔离所述外罩部分53D。
在一种实施例中，隔离接头56B、56C、和56D可以由诸如例如纤维玻璃等的电气隔离材料制成。在另一种实施例中，可以在连接两个外罩部分53B、53C和53D接合处的部分53B、53C和53D的末端之前涂覆电磁电阻性陶瓷材料来提供两个接合的外罩部分53B、53C和53D的隔离。
随着隔离间隔或接头的数量增加，所述双间隔完井和三间隔完井(即，具有两个或更多个隔离外罩接头)提供了增加的“电磁偶极子”源。外罩50C和50D中存在的隔离接头或间隔56C和56D迫使电流从外罩内的流体出去进入岩层。这提供了电磁场的进一步穿透进入围绕井孔或外罩(例如，外罩50C和50D)的岩层。否则，电流可直接沿着电磁导电外罩短路。如果电流沿着电磁导电外罩短路，诸如在外罩50A的情况中，则远程监控井孔的能力会下降，因为所述电流未流过岩层。因此，在不提供所述隔离接头或间隔(例如，56C、56D)的情况下的电磁场的任何测量将主要测量所述外罩的特性。
图6A-6D绘出了根据本发明的各种实施例的用于提供井孔内的偶极子电磁源的各种电压配置。图6A绘出了电压V施加到外罩60A中的两个邻接外罩部分62A之间的配置，所述外罩部分62A通过隔离接头或间隔63A电气隔离。外罩60A仅具有单间隔或隔离接头63A。图6B绘出了电压V施加到外罩60B中的两个邻接外罩部分62B之间的配置，所述外罩部分62B通过隔离接头或间隔63B电气隔离。外罩60B具有双间隔或双隔离接头63B，但是电压仅施加到单隔离接头或间隔63B之间的两个外罩部分62B。图6C绘出了电压V施加到外罩60C中的两个邻接外罩部分62C之间的配置，所述外罩部分62C通过两个隔离接头或间隔63C电气隔离。外罩60C具有双间隔或双隔离接头63C并且电压V施加到由隔离接头或间隔63C和一个外罩部分64C隔开的两个外罩部分62C。外罩部分63B未连接到电压源。图6D绘出了电压V施加到外罩60D中的两个邻接外罩部分62D之间的配置，所述外罩部分62D通过两个隔离接头或间隔63D电气隔离。外罩60C具有双间隔或双隔离接头63C并且电压V施加到由两个隔离接头或间隔63D和一个外罩部分64D隔开的仅两个外罩部分62D。外罩部分64D未连接到电压源。
如可以理解的，电压源V的两个末端(即，两个电气隔离的外罩部分)之间的间隔越大，被迫使进入介质层或岩层的电流的量越大，尤其是如果至少两个隔离间隔落入到两个电压连接点之间时。例如，在外壳60C被提供有在由两个隔离接头或间隔63C隔开的两个外罩部分62C之间施加的电压的情况中，所述跨两个外罩部分62C施加的电压生成的被迫使进入岩层的电磁场的量比外罩60B的情况中生成的量要多，所述外罩60B只被提供有在由单隔离接头或间隔63B隔开的两个部分62B之间施加的电压。
图7A-7C绘出了根据本发明的各种实施例的用于跨两个外罩部分施加电压的各种配置。图7A绘出了电压源71A产生的电压V施加到外罩70A中的两个外罩部分72A之间的配置，所述外罩部分72A由两个隔离接头或间隔73A电气隔离。外罩70A具有双间隔或双隔离接头73A并且电压V跨由隔离接头或间隔73A和一个外罩部分74A隔开的两个外罩部分72A施加。外罩74A未连接到电压源71A。所述电气电压或电源使用在外罩70A外部延伸的电线75A被传送给外罩部分72A。在一种实施例中，电压源71A放置在地球表面。术语地球表面在本文宽泛地使用以包括海和海洋的表面。
图7B绘出了电压源71B产生的电压V施加到外罩70B中的两个外罩部分72B之间的配置，所述外罩部分72B由两个隔离接头或间隔73B电气隔离。外罩70B具有双间隔或双隔离接头73B并且电压V跨由隔离接头或间隔73B和一个外罩部分74B隔开的两个外罩部分72B施加。外罩部分74B未连接到电压源71B。所述电气电压或电源使用在外罩70B外部也是的电线75B被传送给外罩部分72B。电线75A和75B永久地附接到各自的外罩部分72A、72B。在一种实施例中，电压源71B放置在地球表面。
图7C绘出了电压源71C产生的电压V施加到外罩70C中的两个外罩部分72C之间的配置，所述外罩部分72C由两个隔离接头或间隔73C电气隔离。外罩70C具有双间隔或双隔离接头73C并且电压V跨由隔离接头或间隔73C和一个外罩部分74C隔开的两个外罩部分72C施加。所述电气电压或电源71C使用电缆工具75C被传送给外罩部分。当期望时，电缆工具75C被配置成部署在井孔或外罩70C内。所述电缆工具75C包括电线76C和多个间隔开的电气连接器(例如，臂)77C。电缆工具75C可被部署在外罩70C内，被降低到应有的位置，并且接着连接器(例如，臂)77C伸展以与外罩接触。在一种实施例中，电压源71C放置在地球表面。电缆工具75C被部署在外罩70C内部，以便间隔开的电气连接器77C与外罩部分72C连接。电气连接器77C被间隔开以便第一电气连接器77C1与第一部分72C1连接并且第二电气连接器77C2与第二部分72C2连接。
在一种实施例中，各种外罩部分可通过使用例如大约10kW的电源供能，同时给选定的外罩部分传送大约1000Amps的电流。如可以理解的，根据使用的电气隔离的类型、使用的隔离的厚度、或期望的电磁场穿透进入岩层，所述电源可以变化。通过在地球表面提供电压源71A、71B、71C，更高的电力电压源可被用以分别给外罩部分772A、72B、72C提供期望的能量。作为结果，可在岩层内产生远离外罩70A、70B、70C、可深入穿透进岩层的更强的电磁场。
如从以上段落中可理解的，在一种实施例中，提供了一种用于提供岩层中电磁测量的方法。所述方法包括在井孔中布置井孔外罩，所述井孔外罩具有多个外罩部分。所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分彼此电气隔离。所述方法还包括在地球的表面布置电磁源，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分；并且给所述至少两个外罩部分供能以便在井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。在一种实施例中，所述方法还包括利用布置在所述至少两个外罩部分之间的电气隔离材料来电气隔离所述至少两个外罩部分。例如，隔离可包括利用电阻性陶瓷材料涂覆所述至少两个外罩部分的末端。在一种实施例中，所述方法还包括将电线连接到所述至少两个外罩部分以给所述至少两个外罩部分提供电能。
尽管本发明已经基于目前认为是最实际和优选的实施例被详细描述以用于说明目的，但是要理解此类详细描述仅用于说明目的并且本发明不限于公开的实施方式，而是相反，旨在覆盖所附权利要求的范围和精神内的修改和等价安排。例如，要理解，在可能的范围内，本公开预期任意实施方式的一个或多个特征可以与任意其他实施方式的一个或多个特征结合。
另外，由于多种修改和改变对本领域技术人员来说是容易想到的，因此不期望将本发明限制到本文描述的精确结构和操作。相应地，所有合适的修改和等价物应当被认为落入到本发明的精神和范围内。
Claims (16)
1.一种用于提供岩层中的电磁测量的系统，包括：
具有多个外罩部分的井孔外罩，其中所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分彼此电气隔离；以及
放置于地球的表面上的电磁源，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分，所述电磁源被配置成给所述至少两个外罩部分供能以便在所述井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。
2.如权利要求1所述的系统，还包括布置在所述至少两个外罩部分之间的电气隔离材料，其中所述至少两个外罩部分被接合以电气隔离所述至少两个外罩部分。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述隔离材料包括纤维玻璃或电阻性陶瓷材料。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述电阻性陶瓷材料涂敷在所述至少两个外罩部分的接合的末端上。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述至少两个外罩部分被所述电气隔离材料和未连接到所述电磁源的至少一个外罩部分隔开，以便在所述至少两个外罩部分的电气连接之间提供更宽的间隔。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述至少两个外罩部分被两个隔离接头和未连接到所述电磁源的至少一个外罩部分隔开，以便在所述至少两个外罩部分的电气连接之间提供更宽的间隔。
7.如权利要求1所述的系统，还包括被配置成给所述至少两个外罩部分提供电能的电线。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述电线设置在所述外罩的外部。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述电线设置在所述外罩的内部。
10.如权利要求1所述的系统，还包括具有电线和多个间隔开的电气连接器的电缆工具，所述电缆工具被配置成给所述至少两个外罩部分提供电能。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述电缆工具能够被部署在所述外罩的内部以便所述间隔开的电气连接器与所述至少两个外罩部分连接。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述多个间隔开的电气连接器被间隔开以便第一电气连接器与所述至少两个外罩部分中的第一部分连接并且第二电气连接器与所述至少两个外罩部分中的第二部分连接。
13.一种用于提供岩层中的电磁测量的方法，包括：
在井孔中布置井孔外罩，所述井孔外罩具有多个外罩部分，其中所述多个外罩部分中的至少两个外罩部分彼此电气隔离；以及
在地球的表面上布置电磁源，所述电磁源连接到所述至少两个外罩部分；以及
给所述至少两个外罩部分供能以便在所述井孔外罩周围的岩层中产生电磁场。
14.如权利要求13所述的方法，还包括利用布置在所述至少两个外罩部分之间的电气隔离材料来电气隔离所述至少两个外罩部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中隔离包括利用电阻性陶瓷材料涂覆所述至少两个外罩部分的末端。
16.如权利要求13所述的方法，还包括将电线连接到所述至少两个外罩部分以给所述至少两个外罩部分提供电能。
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