CN1079888C - 监视井中地层构造特性的方法和系统 - Google Patents

监视井中地层构造特性的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种监视地球构造特性的系统，一个井孔钻入该地球构造，井套(12)由它和井孔壁之间的水泥(28)层固定在井孔中，上述特性可通过至少部分厚度的水泥层进行传输。该系统包括至少一个测量上述特性的传感器(20)，每个传感器装到井套上，并包括伸入水泥层的传感装置(20)，还有将代表上述特性的信号从传感器传到选定的地面设施上的装置。

Description

监测井中地层构造特性的方法和系统
本发明关于监测由井孔贯穿的地下构造的方法和系统。在一个优选实施例中，本发明关于同时监测沿井孔多个区域的构造的方法和系统。
关于一个构造区状态的现有的可靠的信息对于完善各种井、水库管理及以后的修复工作均有很大帮助。在这些应用中，井孔钻成越过多个构造区域。一个或多个横断区域可含有具有可回收形式和数量的储藏的油气层。然而在油井管理方面，其它区域也可能有兴趣。
US-A-4775009公开了一种进行地震测量的系统，其中若干地震传感器沿凝结在井孔中的套管的外表面放置。
US-A-4548266公开了一种将测量仪器装入独立的防水层中的方法，它是通过钻一个穿过防水层的孔，将仪器用水泥灌注在井孔中。
US-A-4662442公开了一种测量地层构造中流体压力的方法，它采用凝结在井孔中的套管，套管具有径向小孔和沿其内壁安放的膜片。
商业服务单位提供了“重复构造试验”，在这些试验中，采用了电缆测井工具，当取出工具时，可得到多个读数。这确实能提供多个区域的数据，但这些信息不是真正同时取得的，而是间断地收集的。
因此，显然有必要提供一种来自一个或多个区域的地层构造和连续的、并同时得到的读数的方法和系统。
按照本发明的一个方面，提供一种监测地层构造特性的系统，一井孔钻入地层构造，用井壁和套管之间的一层水泥将一套管固定在井孔中，上述特性的信号可通过的水泥层至少部分厚度进行传输，该系统包括：至少一个用于测量上述特性的传感器，每个传感器装到套管上，并包括伸入水泥层中的传感装置；和用于上述信号从传感器传输到选定的地面设施的装置，其特征在于：上述至少一个传感器包括一个测量构造压力的压力传感器，每个压力传感器包括一个压力转换器，该压力转换器包括一膜片；一个导向膜片的导管和在导管中与膜片联通的一堆硅脂，其中压力传感器的传感装置包括一敞开的压力触角，该压力触角包括一可透过的线状网格管，其一端封闭，另一端连接到上述导管上，金属渣位于线状网格管内，过滤板位于硅脂和金属渣之间的导管内。
按照本发明的另一个方面，提供一种监测地层构造的方法，打出的井孔进入该地层构造，该方法包括：
a)将至少一个具有用于测量上述特性的传感装置的传感器装到安装在井孔内的套管上，在套管已装入井孔时，传感装置布置成在套管和井壁之间延伸。
b)提供用于将来自传感器的代表上述特性的信号传导到选定的表面设施上的装置，
c)将套管降入井孔中，
d)选择一种用于将套管凝结在井孔中的水泥，从而在套管凝结在井孔中时，上述特性能的信号在至少部分形成的水泥层的厚度上传导通过，
e)将套管凝结在井孔内，从而使传感装置定位在套管和井壁之间的水泥层中。
通过将传感装置定位在水泥层中，经过水泥层而监测的特性的信号是可传导的，这样就使每个传感器与地层构造非常接近，同时传感器可采用有利的方式进行安装，并可受到水泥层的适当保护。
合适的上述特性是至少为构造的压力、构造的温度和构造的流体成份的其中一个。
优选的系统包括若干沿套管放置的上述传感器。
上述传输信号的装置最好包括一根沿套管伸到上述表面设施的连线，每个传感器与该连线连接。
本发明的系统和方法尤其适宜于在整个时间上测量构造压力，在这种情况下。至少一个传感器包括用于测量构造压力的压力传感器。
为了监视多个区域，沿套管放置若干上述压力传感器，其中多个传感器的传感装置沿井孔分开一段距离，这样从井孔到传感装置的传感器的通过水泥的轴向压力传输与径向压力传输相比就不敏感。
为了减少轴向压力在水泥中的扩散，对水泥的液压扩散性和传感装置的放置进行调节，使从构造到传感装置的压力联通的时间长短比相邻传感装置之间联通时要小。
如果水泥的液压扩散性小于构造的液压扩散性，就进一步减小了水泥中的轴向压力扩散。
通过下面参照附图对优选实施例的详细描述，将会更清楚上面的概述及本发明的进一步的优点。
图1是本发明的分布的压力监测系统的侧向视图，
图2是安装到套管上的单个压力传感器的透视图，
图3是图2中沿3-3线的压力传感器的横截面图，
图4是图3中沿4-4线的压力传感器的横截面图，
图5是一侧示图，示出分布的压力监测系统的安装情况，
图6是一图表，示出在一个井成功凝结操作期间监测多个区域而收集的数据，
图7是一图表，示出一个预计要进行修补的井在凝结操作期间监测多个区域而收集的数据，
图8是一图表，示出作为时间函数的压降数据，
图9是一图表，示出作为压力、时间和水泥穿透性的变化的函数的一个特殊井的压力传播情况，
图10是一个图表，示出作为从一个选定区域到附近的传感器的压力传输时间、距离和穿透性函数的模拟压力响应的结果，和
图11是一个图表，示出作为通过压力传感器之间的水泥的压力传输时间、距离和穿透性函数的模拟压力响应的结果。
图1中示出的分布的监测系统10安装到套管12的外部，套管在井孔14内运行，穿过图示行程的多个区域16A-16E。连线18沿套管运行，由引线22分到传感器20上。传感器安装到套管的保护器24上，保护器在安装期间保护传感器和连线。传感器(这里是压力传感器)装有敞开的压力触角26。水泥28填在井壁和套管之间的管道中。
保护器24是安装在套管12上的改型的定心装置。图2示出的压力传感器20安装并销接在保护器24的相邻的叶片30之间，连线用带子或绳子32装到套管12上，也能在套管12下降到位时防止与井壁接触，见图3。
根据传感器和传输的需要，可以通过遥测来进行联通或通过连线18联通。对于本专业技术人员来说将会理解，本发明将可用于各种传感器。可用包括压力、温度、流体成份的传感器。如果采用连线18，它可以是多根电线、或由多根电线捆成的多线电缆。另外，也可采用光缆。在一些实施例中，连线18甚至可用一捆毛细管制成，从而直接传输来自敞开端形式的传感器输入元件的压力；该传感器输入元件具有流体界面，通过毛细管中的情况流体与地面传感器联通。在另一些应用中，可用红外或IR传感器来监测流体成份，从而确定油、气和流动构造的流体形成的水。然而为说明清楚，本发明的实施例公开了监测压力、有时是温度的方法和系统，这两个参数在传统上在水库管理中是很有兴趣的。
在这个实施例中，连线18由多线电缆18A制成，每根引线22将一个传感器连接到电缆内的单根导线上。
图4概略示出传感器20的横截面，在这里传感器20带有一个压力传感器20A和一个温度传感器20B，它们均装在传感器罩34内。压力和温度传感器通过引线22和多线电缆18A将信号传到地面。压力传感器通过敞开的压力触角26对构造压力取样，触角为不锈钢线的网格管36形式，并填有金属渣38，压力触角26与压力传感器通过导管39联通。一块过滤板40将触角26与压力传感器分开，该过滤板允许构造压力通过，撞击在导管39的硅脂部分42上，然后作用在压力传感器20A的膜片44上。然而过滤板也能起到分离来自构造压力的过渡压力的作用。
图5示出一个分布压力监测系统的安装情况。多线电缆18A是卷绕在轴上的。在图示的实施例中，卷绕的多线电缆具有阻流器46，引线22和在安装时沿套管放置连接到传感器上的修理套筒48。阻流器是严密地绕电缆密封的某个长度的管子。在这些管子的长度上与水泥产生极好的连接，防止沿连线18的传感器20之间的流体移动。修理套筒有利于电缆在处理中被损坏时的修理，在有损坏的情况下。其尾部充上树脂，套筒滑到损坏位置上，夹紧和/或胶接定位以确保密封。卷绕的电缆送到一个滑轮50上，用带子或绳子32将电缆18A绕套管12定位。传感器20装在保护器24内，并通过从卷绕电缆上剥开和插入传感器的引线22与电缆18A连接。对于前一个套管段与已装有分布的压力监视系统10的套管12的另一种连接，是在该监测系统连接到下一段套管上时通过滑动的方法来朝前推进的。
在套管设定以后，将它用水泥凝结定位，如图1所示。在整个设计中，水泥28的选择是重要的。将要监测的构造中的特性的扩散性应该比选定水泥中的要大。液压扩散性“α”是一个与流体和压力移动有关的测量值，它的定义如下：
Figure C9719342100081
其中，对水泥而言
    穿透率是水泥的穿透率，
    孔隙率是水泥的孔隙率，
    粘性是灌注水泥的水的粘性；和
    可压缩率是系统的可压缩率，包括水泥和灌注在一起的流体。
通过比较，热移动是热传导性和流体移动的函数。
相邻区域传感器的轴向间隔应选成使来自井壁的径向传输大大超过相邻传感器之间的沿井孔的轴向传输。返回到压力测量的例子，流体和压力传输是时间、扩散率和距离的函数，它们之间的关系可以粗略地以下列方程表示： d 2 at = c 1
其中：
    d＝距离
    α＝扩散率
    t＝时间
    c1＝常数
将这个基本关系用到井孔的几何尺寸中，从构造(井壁)到传感器的最大距离可表达如下：
Figure C9719342100091
其中：
    r＝传感器和井壁之间的径向距离，
    α＝水泥的扩散率，
    t＝时间，
    c1＝常数，
控制从选定区域对另一区域的压力干扰的相邻传感器之间的最小间隔可用下式表示：
Figure C9719342100092
其中：
    I＝相邻传感器之间的轴向距离，
    α＝水泥的扩散率，
    t＝时间，
    c2＝常数。
由于这个关系的非线性性质，压力可以看成在构造和最近的传感器之间传输时比隔开的相邻传感器的中等距离上容易得多。这就使来自具有相应压力传感器的井孔贯穿的相邻构造区域的数据具有较大的间隔。井孔灌注选定的水泥，这种水泥能提供比构造要小的液压扩散率，压力触角布置成在水泥凝结时，它们至少在沿其长度方向上的某些地方与井孔壁紧密接近。相邻的压力传感器仍然沿井孔轴向分开，压力传感器之间的距离使传感器通过水泥的轴向传输与井孔对压力触角的径向传输相比较为不敏感。
在钻井和完成工艺中的水泥通常由下列成分制成：G级水泥，水泥减摩剂、混合的金属氢氧化物、硅酸钠、烟灰、石英粉、石英砂、煅制二氧化硅、菱磷铝岩和膨润土凝胶。根据其变化范围和本说明书中的特性，为某种用途而选择一种合适的水泥时可以包括关于时间、温度、穿透率和抗压强度方面的试验项目。
通过对某一个井上所用的分布压力监视系统的设计示例可以更清楚地说明水泥的选择和传感器的安置情况。说明性设计示例：
图9-11的图表示出保守模拟某一个井上所用的设计参数。在图9-11的每条曲线a、b、c、d、e分别与水泥的穿透率0.01，0.01，0.1，1，10有关。图9示出作为压力变化(P)的百分比、时间(t)和水泥的穿透率(假定选定水泥的孔隙率和抗压性基本为常数)的函数的通过水泥的压力移动的基本关系。另外，在这些限制下，图10模拟了水泥穿透率、时间(天)和进入水泥的距离(dc)的范围，这些范围足以在压力传感器上读到的构造压力的设计标准为98％为基础的。区域A示出如何靠近构造测量转换器才必须响应。然后图11模拟水泥穿透率、时间(年)和区域B的范围，区域B示出转换器之间的距离，它是以通过水泥在一个区域内的传感器上压力移动到达第二个选定区域内传感器上的压力引入第二区域构造条件的测量误差的压力值不大于5％的设计标准为基础的。
在水泥的穿透率选定以后来确定传感器(1)(见图1)的最佳间隔。选定的穿透率必须允许迅速的传感器响应时间(与实际的矿井管理技术中的过程时间相比)，同时尽量减小由于通过水泥在传感器之间联通而引起的压力响应的误差。在这个例子中，水泥穿透率大于0.001md，允许通过1.27cm(1/2英寸)的水泥(r)的响应时间少于10天；水泥穿透率小于0.03md，允许传感器离开15m(50英尺)，在一年以上时间里保持隔离到5％的误差之内。水泥配制成是0.01md，这两条标准平衡。
在设计这样一个系统时，作为一个控制装置的压力触角的重要性是显然的。比如需要在井孔为0.3m(11 1/2英寸)内12.7cm(5英寸)套管上安装传感器，压力触角能确保有一个有效的压力导管，它与构造相邻，又不受水泥混合物的小的、很局部的变化的影响。
图8示出一个井中的压力梯度，它作为压力、深度和时间的函数，尤其适用于水库管理中。这里在选定的下部区域上的压力呈现出在整个时间上下降。在任何给定区域上过度下降可导致构造压实，这可能毁坏套管。因此，传感器阵列提供了会妨碍石油生产和可能导致的井毁坏的压力降低的信号。定时地取得这个数据可调节油泵时间和/或下一个恢复操作，从而保护油井和最大地提高生产效率。
图6和7示出分布的压力监测系统10的特殊应用，该系统用于监测保障对套管密封的水泥工程。套管设置到位的分布的监测系统。在图表的区域100示出稳定构造和控制油井的泥土具有一个密度。用水/表示活化剂棒代替泥土，就出现急剧的下降线102，接着用泵向套管下方和井孔环形区向上灌注水泥，就出现密度急剧上升区104。在水泥柱定位后，它开始凝固。这个过程开始时具有的变化率为一正向曲线106，呈现出象固体沉积那样的密度损失。然而，在转折点后这个变化率是一负向曲线108，水泥柱的重量开始传到井壁和套管上，见图1。
再回到图6和7，在水泥完全凝固和构造压力通过水泥移到压力传感器后可以观察到在整个过程中最大的构造压力110。图6和7之间的关键性的差别在于图6中的水泥的转折点在最大的构造压力上方，亦即在水泥由构造压力超载以前，水泥已形成结构整体，这将导致允许管状气体流动的水泥工程毁坏。比较图7，其中预计了这项毁坏，并要求以“挤压工程”的形式进行补救工作，在“挤压工程”中，将水泥注入环状气体流动的通路中。通过同时得到这个数据，不仅可预示何时将要求进行补救工作，而且可使在油田中下一个水泥工程的设计更好地满足构造的要求。
前面的描述仅说明了本发明的一些实施例并且在前面的讨论中提出了很多变化情况。在前面的讨论和一些例子中指出一些利用本发明的一些特征而并未采用相应其它特性的另一些变型、修改和替换件：因此广泛地并以与本发明的由所附权利要求限定的范围相一致的方式来解释所附的权利要求是可以理解的。

Claims (10)

1.一种监测地层构造特性的系统，一井孔钻入地层构造，用井壁和套管(12)之间的一层水泥(28)将一套管(12)固定在井孔中，上述特性的信号可通过的水泥层(28)至少部分厚度进行传输，该系统包括：
至少一个用于测量上述特性的传感器(20)，每个传感器(20)装到套管上，并包括伸入水泥(28)层中的传感装置(26)；和
用于将上述信号从传感器(20)传输到选定的地面设施的装置，其特征在于：上述至少一个传感器(20)包括一个测量构造压力的压力传感器，每个压力传感器包括一个压力转换器(20A)，该压力转换器包括一膜片(44)；一个导向膜片的导管(39)和在导管中与膜片联通的一堆硅脂(42)，其中压力传感器(20)的传感装置包括一敞开的压力触角(26)，该压力触角包括一可透过的线状网格管(36)，其一端封闭，另一端连接到上述导管(39)上，金属渣(38)位于线状网格管内，过滤板(40)位于硅脂(42)和金属渣(38)之间的导管(38)内。
2.权利要求1的系统，包括沿套管(12)放置的多个上述传感器(20)。
3.权利要求1或2中任何一个的系统，其中上述传输信号的装置包括沿套管(12)伸到上述地面设施的连线(18)，每个传感器(20)与连线(18)联通。
4.权利要求3的系统，其中每个传感器(20)通过引线装置(22)与连线(18)联通。
5.权利要求1的系统，其中每个传感器(20)由传感器罩(34)封住。
6.权利要求5的系统，其中每个传感器(20)由一个保护器(24)保护，每个保护器(24)包括一个固定绕套管(12)贴合的环和一对从环上伸出的轴向的板(30)，从而接纳含有传感器的传感器罩。
7.权利要求6的系统，其中保护器(24)还包括若干径向延伸的、轴向的从环上突出的定心的叶片(30)。
8.权利要求1的系统，包括若干沿套管(12)放置的上述压力传感器(20)，其中多个传感器的传感装置(26)沿井孔相互分开一段距离，从而使传感器(20)对通过水泥(28)的轴向压力传输与从井孔到传感装置(26)的径向压力传输相比是不敏感的。
9.权利要求8的系统，其中水泥(28)的液压扩散率和传感装置(26)的间隔调节成从构造到传感装置(26)压力联通的时间长短比相邻传感装置之间的联通的时间要短。
10.权利要求1的系统，其中水泥(28)的液压扩散率小于构造的液压扩散率。
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