CN107075942A - 一种检测井完整性破坏的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本文中公开了用于检测井完整性破坏的方法的实施例。在一般情况下，该方法的实施例利用地震信号用于检测。特别是，该方法的实施例可以使用被动或主动地震信号的记录。该方法的各种实施例的其它细节和优点被在本申请中更详细地描述。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/069372的优先权，通过引用将其全部内容并入本文以用于所有目的。
关于联邦资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明一般涉及油气勘探和生产领域。更具体地，本发明涉及使用沿着井套管发送的主动或被动地震信号来确定井套管的结构完整性的方法。
背景技术
用于生产油气的井通常包括粘接到穿透地层的井筒的套管与该套管内的一个或多个注入或生产管。偶尔，裸眼井(即没有套管)包含在其中的注入或生产油管柱。该井可能通常穿透许多感兴趣的生产或注入区。套管或油管损害或损坏可能导致压力完整性损失、生产油管的紧缩(pinching)或不能将工具下落入井中。对套管和/或油管的损坏或损害可以通过由于岩层沿层面或沿更陡峭的倾斜断层面的位移的剪切而发生，也称为剪切破坏。这些破坏可能由通过来自油气生产储层的生产或注入活动导致的体积变化而生成的应力集中触发。所述体积变化可以由压力变化、温度变化或固体运动(固体/液体注入或生产)产生。
存在针对公认的套管损坏的各种机制，包括压缩、拉伸、腐蚀和剪切。压缩破坏可能由于与压实相关联的大的垂直应变而在生产层段内发生。当压实区之外的物质给压实区之上的物质提供垂直支撑时，拉伸破坏可能产生。由于蒸汽注入导致的热膨胀也可能有助于覆盖岩层中的拉伸应力的发展。腐蚀可能由于在岩石中存在化学活性流体而发生。剪切破坏也可以由沿着储层之上的覆盖岩层中的弱层面或再活化断层的水平位移来诱导。一旦检测到井剪切或井损坏，就可以采取适当的校正措施，以避免和防止发生任何事故。因此，需要用于检测井剪切破坏的方法和系统。
发明内容
本文公开了用于检测井完整性破坏的方法的实施例。在一般情况下，该方法的实施例利用地震信号用于检测。特别是，该方法的实施例可以使用被动或主动地震信号的记录。在下面更详细地描述该方法的各种实施例的其它细节和优点。
在实施例中，用于检测井剪切破坏的系统，该系统包括位于井筒附近的地震能量源和设置在井筒的井口附近的地震传感器。地震传感器被配置为记录来自井筒的多个测量地震信号。该系统还包括耦合到地震传感器并且被配置为检测如根据多个地震信号确定的完整性破坏的计算机系统。该计算机系统被配置为将测量地震信号与从未受损井记录的多个地震信号进行比较。
在另一个实施例中，检测井完整性破坏的方法包括：(a)使用设置在井筒附近的地震传感器记录来自井筒的多个地震信和(b)使地震信号自相关以检测井完整性破坏。
在又一实施例中，检测井完整性破坏的方法包括：(a)使用配置为从每个井筒产生地震信号的地震源来从多个井筒生成多个地震信号，其中所述井筒中的至少一个包括已经由于井完整性破坏而被关井的受损井筒。该方法还包括(b)使用设置在井筒附近的一个或多个地震传感器记录来自井筒的地震信号，以及(c)比较来自受损井筒和其它未受损井筒的地震信号以检测井完整性破坏。
在另一个实施例中，检测井完整性破坏的方法包括：(a)使用配置为从井筒产生一个或多个测量地震信号的地震源在井筒处生成多个地震信号。该方法还包括(b)使用计算机创建如从另一井筒测量的对未受损井和受损井的数值建模地震响应，以及(c)使用计算机比较测量地震信号与数值建模地震响应，以确定所述井筒是否被损坏。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解本发明随后的具体实施方式。将在下文中描述本发明的附加特征和优点，其形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当意识到所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于执行本发明的相同目的的其它结构的基础。还应当由本领域技术人员意识到的是，这种等效构造并不脱离如在随附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
对于本发明的优选实施例的具体实施方式，现在将参考附图，其中：
图1A示出了如与设置在油气藏内的井筒一起使用的所公开的系统和方法的实施例的示意图；
图1B示出了如与设置在油气藏上或内的受破坏井筒一起使用的所公开的系统和方法的实施例的另一示意图；
图2示出了来自完好井与受破坏井的地震信号的假设比较；
图3示出了可以与所公开的方法的实施例结合使用的系统的示意图；
图4示出了使用本方法的实施例对健康井的现场测试的结果；
图5示出了使用本方法的实施例对另一健康井的现场测试的结果；
图6示出了使用本方法的实施例对两个健康井(A-B)和四个受损井(C-F)的现场测试的结果；以及
图7示出了使用本方法的实施例对两个健康井(A-B)和四个受损井(C-F)的现场测试的谱内容结果。
符号和命名
某些术语贯穿以下的说明书和权利要求使用来指代特定的系统组件。本文不打算在名称不同但功能相同的组件之间进行区分。
如本文所用，“井完整性破坏”出于任何原因可以指对井(包括但不限于井套管和/或油管)的完整性的损坏、毁坏或破坏。
在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式来使用，并且因此应当被解释为意指“包括，但不限于......”。此外，术语“耦合”或“耦接”意在表示间接或直接连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接连接，或者通过经由其它设备和连接的间接连接。
具体实施方式
现在参看附图，将描述所公开方法的实施例。作为一个入门问题，方法的实施例可以以多种方式来实现，如将在下面更详细地描述的，包括例如作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机实现的方法)、装置、计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面、门户网站或有形地固定在计算机可读存储器中的数据结构。在下面讨论所公开方法的多个实施例。附图仅示出了所公开方法的典型实施例，并且因此不应被视为其范围和广度的限制。
图1示出了用于感测或检测井筒或钻孔104中的井完整性破坏的装置100的实施例。在所示的示例中，井筒104延伸穿过位于地球表面之下的地表下或地下油气生产地层106。尽管钻孔104被示出为直的、竖直孔，但在实践中，钻孔104可以具有更复杂的几何结构(例如水平钻井)，并且可以具有任意定向，包括沿其长度变化的定向。
钻孔104可以与由多个段组成的中空套管108内衬。例如，中空钻孔套管108可以由钢或其它适当的材料构造。在典型的钻井应用中，钻孔套管108可以是用于在普通钻井和生产应用中为钻孔提供结构支撑的标准套管，并且没有必要提供任何额外的外部导电介质。为了从地层106中提取油气，生产油管107被环状地设置在套管108内。井筒104可以用井口102处的树111覆盖。如本领域已知的其它井下工具和设备可以被包括在所公开系统和方法的实施例内或结合其使用。
在实施例中，地震传感器121可以被放置在井口上或放置在井口103附近。然而，地震传感器121可以被放置在适合或足够使得其可以感测或检测沿井筒发送和从井筒108反射的信号的任何位置中。地震传感器121可以是本领域技术人员已知的能够记录和/或检测地震信号的任何记录设备。示例包括但不限于，地震检波器、水听器、海底传感器等。在一个方面中，地震传感器121可以被动地记录来自井的地震数据，而无需使用地震源。在被动模式下，可以记录背景噪声达一段时间。这一段时间的范围可以从几小时到几天。特别地，该一段时间的范围可以从约30分钟到约30天、或者从6小时到约2周、或从约24小时到约72小时。然后，所记录的数据可以通过本领域技术人员已知的方法进行处理。处理的示例可以包括但不限于，反卷积、过滤等。在实施例中，数据的测量、处理和分析可以实时发生。
在一个实施例中，所记录的数据可以经由自相关进行分析，以确定井完整性破坏是否已发生。长地震噪声记录的自相关被称为一种将所记录的数据转换成通过主动脉冲源生成的形式的地震干涉测量。一个示例将是用于完好或未受损井相对受损或受损害井的自相关函数的功率谱的比较。第二个示例将是自相关函数的峰值的行进时间将在完好井与受损或受损害井之间变化。值得注意的是，虽然已经提到井完整性破坏，但可以使用所公开的方法检测套管损伤的任何机制。
虽然所述地震干涉测量已用于储层监测，但用于储层监测的方法与本实施例基本不同。首先，储层监测需要彼此相隔一定距离(通常相距几十到几百米)放置的至少两个地震传感器，其不需要靠近任何井口。第二，在多个地震传感器记录的地震信号是交叉相关的，而不是自相关的。最后，用于储层监测的方法按其设计意在提供关于地下体积(即2或3维度储层)的信息，而本实施例被设计为提供关于井完整性的1D响应。用于储层监测的地震干涉测量方法不能胜任识别受损或受损害井所需的分辨率；同样地，本实施方式将不能提供关于地下体积的信息。
在另一个方面中，地震源131(例如振动器或大锤)可以被应用到井套管或应用到考虑中的井附近的地。在另一个实施例中，地震源131可以被放置在井口附近或井口处，其中地震源被配置为生成周期性或连续信号并且地震传感器121可以不断地记录达一段时间，如上面所讨论的。在其中传感器121被配置为周期性生成信号的实施例中，地震传感器121可以被配置为生成间歇信号超过指定段的时间。例如，但不限于，所述地震传感器121可以一次每10分钟生成一次地震信号达三个月。可以使用任何合适段的时间，并且可以以任何频率(例如每小时一次、每小时4次、等等)生成地震信号。地震源121可以是连续的源或脉冲源(例如振动器)。然后可以用地震传感器或检测器121记录激发的地震波场。
对于任何给定井或场，可以为场中的每个井执行该过程以开发记录的数据库。也为如图1B中所示已经受破坏的废弃或荒废的井执行地震数据采集，所述图1B示出了具有井完整性破坏140或141的井。受破坏(例如经由完整性破坏或其它井破坏)和完好井之间的记录差异可以被用来指示考虑中的井是否已经受破坏。也就是说，可以将来自每个井的地震数据集进行比较，以确定针对具有井完整性破坏的井的一些特性地震模式。然后，地震模式可以用作其它井中的井完整井破坏的预测器，如下所讨论的。
因此，在其它实施例中，可以通过添加受破坏和非破坏状态下的井的数值建模来对预测进行精化，并且该数值模型的比较可以导致测量的场结果。例如，井完成信息(套管直径、封隔器的位置、射孔区的变化)已知是相当准确的，其允许计算所有相关的地震波及其行进时间。额外的未预测波在基线勘测之后的重复勘测期间的出现是存在受损区的指示器。图2示出了比较来自完好井200与受破坏井210的假设地震信号仅用于说明性目的的卡通图。在这里，使用关于波传播速度的知识将时间相关的记录转换成深度相关的函数。与基线测量的比较允许检测其中数据之间的相关性(和/或差)与其它层段相比急剧变化的层段。这些层段指示受损区。不受理论的限制，如由括号201所示的地震信号中的差指示井完整性破坏。
本领域技术人员将理解，所公开的方法可以使用硬件和软件配置中的任何一种或组合来实践，包括但不限于：具有单和/或多处理器计算机处理器系统的系统、手持式设备、可编程消费电子产品、小型计算机、大型计算机、超级计算机等。所公开的方法也可以在其中任务由通过一个或多个数据通信网络链接的服务器或其它处理设备执行的分布式计算环境中实践。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。
图3示出，根据实施例计算机系统20的示例，其可以用于分析使用所公开的系统和方法的实施例所获取的数据。在该示例中，系统20是通过包括工作站21的计算机系统的方式实现的，工作站21通过网络的方式连接到服务器30。当然，能够与本发明结合使用的计算机系统的特定架构和构造可以有很大变化。例如，系统20可以由诸如常规工作站或个人计算机的单个物理计算机来实现，或可选地由在多个物理计算机之上以分布式方式实现的计算机系统来实现。因此，在图3中所示的广义架构仅仅是通过示例的方式提供的。
如图3和如上所述，系统20可以包括工作站21和服务器30。工作站21包括耦合到系统总线的中央处理单元25。也耦合到系统总线的是输入/输出接口22，其是指如下接口资源，通过该接口资源外围功能P(例如，键盘、鼠标、显示器等)与工作站21的其它组成接口。中央处理单元25指的是工作站21的数据处理能力，并因此可以通过一个或多个CPU内核、协处理电路等等来实现。中央处理单元25的特定构造和能力是根据工作站21的应用需求来选择的，这种需要最低限度包括执行本说明书中描述的功能，并且还包括如可以由计算机系统执行的这种其它的功能。在根据该示例的分配系统20的架构中，系统存储器24耦合到系统总线，并提供可用作用于存储输入数据和由中央处理单元25执行的处理结果的数据存储器，以及可用作用于存储待由中央处理单元25在执行这些功能中执行的计算机指令的程序存储器的期望类型的存储器资源。当然，这种存储器布置仅作为示例，应理解，系统存储器24可以在分离的物理存储器资源或全部或部分分布在工作站21外部的物理存储器资源中实现这种数据存储器和程序存储器。此外，如图3所示，地震数据输入28可以经由输入/输出功能22从地震勘测获取，并存储在本地或经由网络接口26对工作站21可访问的存储器资源中。
工作站21的网络接口26是通过其工作站21访问网络上的网络资源的常规接口或适配器。如图3所示，工作站21已经经由网络接口26访问的网络资源包括服务器30，其驻存在局域网、或诸如内联网的广域网、虚拟专用网上，或在因特网上，并且其通过这些网络布置之一和对应的有线或无线(或两者)通信设施对工作站21可访问。在本发明的实施例中，服务器30是在一般意义上类似于工作站21的计算机系统的常规架构的计算机系统，并因此包括一个或多个中央处理单元、系统总线和存储器资源、网络接口功能等等。根据本发明的实施例，服务器30被耦合到程序存储器34，其是存储可执行计算机程序指令的计算机可读介质，在本说明书中描述的操作由分配系统30根据该可执行计算机程序指令来执行。在本发明的实施例中，这些计算机程序指令根据从工作站21传送的输入数据来由服务器30执行，例如以“基于web的”应用的形式执行，以创建传送到工作站21以供外部设备P以对工作站21的人类用户有用的形式显示或输出的输出数据和结果。此外，库32也对服务器30(并且或许是工作站21通过局域或广域网)可用，并存储如可能在分配系统20中有用的档案或参考信息。库32可以驻存在另一局域网上，或者可选地经由因特网或一些其它广域网可访问。预期的是，库32也可以是对整个网络中的其它相关联的计算机可访问的。
测量、库32和程序存储器34物理地驻存的特定存储器资源或位置可以在对分配系统20可访问的各个位置中实现。例如，这些数据和程序指令可以被存储在服务器30内、工作站21内的本地存储器资源中，或在这些功能网络可访问的存储器资源中。此外，这些数据和程序存储器资源中的每个本身可以在多个位置之间分布。预期的是，本领域技术人员将能够容易地以针对每个特定应用的适当方式实现对与本发明的实施例结合有用的可适用测量、模型和其它信息的存储和检索。
根据本实施例，以举例的方式，系统存储器24和程序存储器34分别存储由中央处理单元25和服务器30可执行的计算机指令，以执行在本说明书中描述的所公开的操作，例如，通过自相关地震信号以检测井完整性破坏。这些计算机指令可以为一个或多个可执行程序的形式，或从其导出、组合、解释或编译一个或多个可执行程序的源代码或更高级别的代码的形式。取决于所期望的操作待执行的方式，可以使用多个计算机语言或协议中的任何一个。例如，这些计算机指令可以用常规的高级语言编写，要么作为常规的线性计算机程序要么布置为以面向对象的方式执行。这些指令还可以被嵌入更高级别的应用内。这种计算机可执行指令可以包括程序、例程、对象、组件、数据结构、以及可以用于执行特定任务和处理抽象数据类型的计算机软件技术。将理解的是，所公开方法的范围和基本原理并不局限于任何特定的计算机软件技术。例如，可执行的基于web的应用可以驻存在对服务器30和诸如工作站21的客户端计算机系统可访问的程序存储器34处，以电子表格的形式从客户端系统接收输入，在web服务器处执行算法模块，并以一些方便的显示或打印的形式向客户端系统提供输出。预期的是，参考本说明书的本领域技术人员将能够容易地以对期望的安装合适的方式实现本发明的实施例，而无需过度的实验。可替代地，这些计算机可执行软件指令可以驻存在局域网或广域网上的别处，或经由一些网络接口或输入/输出设备通过电磁载波信号上的编码信息的方式从更高级别的服务器或位置可下载。计算机可执行软件指令可能最初被存储在可移除或其它非易失性计算机可读存储介质(例如，DVD盘、闪存等)上，或以软件包的形式作为电磁载波信号上的编码信息可下载，分配系统20根据软件包以用于软件安装的常规方式安装该计算机可执行软件指令。
为了进一步示出所公开方法的各种说明性实施例，提供了以下实施例。
示例
所公开方法的实施例被应用于位于加利福尼亚的储层中的健康和受损井。测量健康和受损井并分析该测量以用于可识别的管波事件和是否可以在健康和受损井之间检测到差异。
在井位处测试6个井。使用三种类型的传感器记录10个通道的数据。所使用的三个传感器是：3C地震检波器、3C加速度计和1C磁声传感器。两个不同的声源被测试。第一声源仅仅是被在井口旁边的井套管或木板上重击或敲击的大锤。另一声源是手工操作的回声计。每个源重复10次。
图4-5示出了来自健康井中分别标记为A和B的两个的测试的结果。如本文和图中所用，tT＝来自油管端部的反射，tB＝来自底部的反射，并且tD＝来自任何损坏的反射。图6示出了来自所有井的测量幅度。两个健康井的曲线被示出标记为A和B，而四个受损井的曲线被示出标记为C至F。图7示出了所有被测量井的谱内容。井C至F是受损井。后结尾(latecoda)注释为从0.2秒到2.2秒。基于初步测量，存在三个受损井的独立指标：1)在时域上，健康井具有来自底部的独特的多重反射。受损井将这些反射减少至噪音水平；2)在频域中，受损井的后结尾为单峰；3)受损井的环境噪声在低频具有增加的能量。
现场结果指示，有可能从非侵入性的声学井口测量确定井况。健康井的基线测量和周期性监测可以被用来从差分数据确定损坏的深度和性质。此外，发现使用具有定时脉冲的大锤允许叠加并产生可测量的事件。也可以使用诸如数字回声计、振动器的其它地震源。
虽然本发明的实施例已被示出和描述，但其修改可以通过本领域技术人员在不脱离本发明的精神和教导的情况下作出。本文所描述的实施例和提供的示例仅是示例性的，并且不旨在是限制性的。本文所公开的本发明的许多变化和修改是可能的并且在本发明的范围之内。因此，保护范围不受上述说明书的限制，而是仅由随后的权利要求限制，其范围包括权利要求的主题的所有等效物。
对参考文献的讨论并不是承认其是本发明的现有技术，特别是可能具有在本申请的优先权日之后的公开日期的任何参考文献。所有专利、专利申请的公开内容以及本文所引用的出版物在此通过引用全部并入本文，在某种程度上，它们为本文所阐述的那些提供示例性的、程序上的或其它补充性的详情。
Claims (15)
1.一种用于检测井完整性破坏的系统，所述系统包括：
地震传感器，设置在井筒的井口附近，所述地震传感器配置为记录来自所述井筒的多个测量地震信号；以及
计算机系统，耦合到所述地震传感器并且被配置为检测如根据多个地震信号确定的井完整性破坏，其中所述计算机系统被配置为比较所述测量地震信号与从未受损井记录的多个地震信号。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：用于从井筒产生地震信号的地震源，其中所述地震源包括脉冲或连续地震源。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述地震传感器连续地记录从井筒被动发射的背景地震信号。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述地震传感器包括水听器、地震检波器、光纤传感器或者海底传感器或海底节点。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述井口是陆上井口或海上井口。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述井筒包括套管并且所述地震传感器被设置在所述套管内。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述计算机系统包括：
用于接收地震数据集的接口，所述地震数据集包括多个地震道；
存储器资源；
用于向人类用户呈现通信信号和从人类用户接收通信信号的输入和输出功能；
一个或多个中央处理单元，用于执行程序指令；以及程序存储器，耦合到中央处理单元，用于存储包括程序指令的计算机程序，所述程序指令当由所述一个或多个中央处理单元执行时使所述计算机系统执行用于检测井完整性破坏的多个操作。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述多个操作包括使地震数据集自相关，以检测井完整性破坏。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述多个操作包括将所述地震数据集与从受破坏井获取的一个或多个地震数据集进行比较，以检测井完整性破坏。
10.一种检测井完整性破坏的方法，所述方法包括：
(a)使用在井筒附近设置的地震传感器记录来自井筒的多个地震信号；以及
(b)使地震信号自相关以检测井完整性破坏。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述地震信号包括来自井筒的背景地震信号且(a)包括被动和连续地记录所述地震信号达从30分钟到30天的一段时间。
12.如权利要求10所述的方法，还包括使用用于从井筒产生地震信号的地震源，并且其中所述地震源包括脉冲地震源，并且被配置为从所述井筒生成脉冲地震信号。
13.一种检测井完整性破坏的方法，所述方法包括：
(a)使用配置为从每个井筒产生地震信号的地震源来从多个井筒生成多个地震信号，其中所述井筒中的至少一个包括已经由于井完整性破坏而被关井的受损井筒；
(b)使用在井筒附近设置的一个或多个地震传感器记录来自井筒的地震信号；以及
(c)比较来自受损井筒和其它未受损井筒的地震信号以检测井完整性破坏。
14.如权利要求13所述的方法，其中实时执行(a)到(c)。
15.一种检测井完整性破坏的方法，包括：
(a)使用配置为从井筒产生一个或多个测量地震信号的地震源在井筒处生成多个地震信号；
(b)使用计算机创建如从另一井筒测量的对未受损井和受损井的数值建模地震响应；以及
(c)使用计算机比较测量地震信号与数值建模地震响应，以确定所述井筒是否被损坏。
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