DE3701189A1

DE3701189A1 - Verfahren und vorrichtung zum einbau seismischer aufnehmer in ein erdoelproduktionsbohrloch

Info

Publication number: DE3701189A1
Application number: DE19873701189
Authority: DE
Inventors: Christian Wittrisch; Jean Laurent; Charles Naville
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1986-01-17
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1987-08-20
Also published as: DE3701189C2; CA1287160C; IN169341B; GB2185574B; GB2185574A; GB8700433D0; AR243996A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbau seismischer Aufnehmer bzw. Meßfühler (capteurs sismiques) in ein Erdöl produktionsbohrloch mit dem Ziel, sehr unterschiedliche, den Zustand des Bohrlochs betreffende Messungen, die Überwachung der Strömungen im Bohrloch sowie auch die seismischen Auf stellungen vorzunehmen, die insbesondere die Bestimmung der Entwicklung der Produktionszone über die Zeit ermöglichen.

Bekannt sind Verwendungen von Aufnehmern in für die Produk tion ausgerüsteten Bohrlöchern. Eine hiervon besteht bei spielsweise darin, akustisch die Qualität der Zementierung zu bestimmen, welche mit der Wandung eines Bohrlochs die äußere Verrohrung festlegt (die bei den Technikern unter dem Namen "casing" bekannt ist) und die hierin bereits angeord net wurde. Ein klassischer, in der Phase des Beginns und der Beendigung eines Bohrlochs realisierter Vorgang besteht da rin, eine Verrohrung niederzubringen und Zement in den Ring raum derart einzuführen, daß verhindert wird, daß die vom Bohrloch erzeugten Fluide über diesem Weg entkommen oder he rauswandern. Die Qualität der Zementierung, von der die Dichtigkeit des Ringraumes abhängt, wird beispielsweise da durch bestimmt, daß man in das verrohrte Bohrloch eine läng liche Sonde absenkt, welche akustische Sender und Empfänger enthält, die auf unterschiedlichen Tiefen angeordnet sind. Die ausgesandten akustischen Wellen werden durch die ver schiedenen Empfänger nach Ausbreitung in der Ringzone und insbesondere im Zement aufgefangen. Ein Vergleich der em pfangenen Signale ermöglicht es, beispielsweise zu bestimmen, daß die Verteilung gut homogen ist.

Ein anderes bekanntes Verwendungsbeispiel besteht darin, im Inneren eines verrohrten Bohrlochs eine Sonde abzusenken, die eine Vielzahl unterschiedlicher Aufnehmer enthält, die es er möglichen, unterschiedliche Parameter, insbesondere das akustische Geräusch, die natürliche Radioaktivität, die Tem peratur, den Druck etc. zu messen.

Bekannte Verwendungsbeispiele für Aufnehmer in verrohrten Bohrlöchern werden beispielsweise in den Europäischen Patent anmeldungen Nr. 55 634 oder 98 778 und in der US-PS 43 90 878 beschrieben.

Die Positionierung der Aufnehmer im Inneren eines verrohrten Bohrlochs ist zweckmäßig zur Durchführung der Messungen, die in einer nahen Ringzone lokalisiert sind oder um Fluidströme in einer Produktionskolonne zu überwachen. Dies eignet sich aber nicht, wenn es sich beispielsweise darum handelt, durch seismische Methoden die Entwicklung eines in Ausbeutung be findlichen Reservoirs zu bestimmen. Seismische Aufzeichnungen werden insbesondere nach dem Verfahren des sogenannten verti kalen seismischen Profils (PSV) durchgeführt, das den Em pfang der Wellen umfaßt, welche durch die verschiedenen un terirdischen Reflektoren mittels einer Vielzahl von Geophonen zurückgesandt werden, die auf unterschiedlichen Tiefen eines gebohrten Loches angeordnet sind, wobei diese Wellen von einem seismischen Generator ausgesandt wurden, der an der Oberfläche oder auch in einem anderen Bohrloch angeordnet war. Die Verwirklichung eines solchen Verfahrens mittels Geophonen, die in ein Bohrloch abgesenkt werden, das zur Erd ölproduktion ausgestattet ist, wird aufgrund der Tatsache wesentlich schwieriger, daß die Kopplung der Geophone mit den umgebenden Formationen vermittels einer Verrohrung stattfin det.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht den Einbau von seismischen Aufnehmern in ein Bohrloch, das zur Produktion von Erdölfluiden ausgestattet ist und eine Verrohrung umfaßt, die in das Bohrloch durch Zementierung eingegossen ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß man die seismischen Aufnehmer außerhalb der Verrohrung anordnet und daß man sie in den Ze ment versenkt, der das Vergiessen bzw. die Haftung der Ver rohrung sicherstellt.

Man ordnet die verschiedenen seismischen Aufnehmer beispiels weise auf unterschiedlichen Tiefen außerhalb der Verrohrung an und verbindet sie mit der Oberfläche über elektrische Lei ter. Auf jedem Tiefenniveau ordnet man einen Aufnehmer oder eine Gruppe von Aufnehmern an. Ist die Verrohrung außen an Führungseinrichtungen fest, so befestigt man beispielsweise die Aufnehmer an diesen Führungseinrichtungen; die zugeord neten elektrischen Leiter werden durch Schellen gegen die äußere Wandungen der Verrohrung gehalten. Die Führungsein richtungen können beispielsweise flexible Zentrierungsschuhe oder Kufen aufweisen. Um das Anordnen der Aufnehmer zu er leichtern, verwendet man vorzugsweise asymmetrische Führungs einrichtungen, die die Verrohrung gegen eine Bohrlochseite auf einem Teil ihrer Länge spreizen, wobei die Aufnehmer auf der der Verrohrung gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Man kann auch Verrohrungen verwenden, deren Querschnitt auf wenigstens einem Teil ihrer Länge vermindert ist; die Auf nehmer werden gegen die Verrohrung im Teil verminderten Querschnitts angeordnet. Zum Entkoppeln der Aufnehmer kann man eine Schicht eines dämpfenden Materials zwischen diese und die Verrohrung einbringen.

Das Verfahren nach der Erfindung ist vorteilhaft, da die Auf nehmer direkt durch den Zement mit den umgebenden geologi schen Formationen gekoppelt werden. Sie können also zur Auf nahme der seismischen Signale aufgrund von mikroseismischen Bewegungen Verwendung finden, die in diesen Formationen während der Periode der Inproduktionsnahme des Bohrlochs ent stehen, oder auch solchen, die sich von einem Aussendeort an der Oberfläche fortgeplanzt haben. Diese Fortpflanzung kann sich in der Vertikalen des Bohrlochs oder auch in einer Richtung befinden, die bezüglich der Achse des Bohrlochs oder der Richtung des Bohrlochs, wenn dieses abgewinkelt ist, be finden. Eine andere mögliche Anwendung besteht darin, in ei nem Bohrloch die seismischen Signale zu empfangen, die von einer in einem anderen Bohrloch angeordneten Störquelle aus gesendet wurden.

Die gute Kopplung zwischen den Aufnehmern und dem Inneren der Verrohrung, erhalten nach dem Verfahren der Erfindung, ermöglicht es auch, sie zu benutzen, um die Störungen und Vibrationen aufgrund der Strömung der Fluide zu ermitteln, die im Bohrloch zirkulieren.

Ein anderer merklicher Vorteil des Verfahrens ist darauf zu rückzuführen, daß die Installation der seismischen Aufnehmer sehr leicht im Rahmen der Verfahren zum Ausrüsten der Bohr löcher integriert werden kann, wobei die Zementierung, die ein klassisches Verfahren, das zur Dichtigkeit notwendig ist, verwendet wird, um auch die seismischen Aufnehmer an die um gebenden Formationen zu koppeln.

Beispielsweise Ausführungsformen und Vorteile des Verfahrens sollen nun mit Bezug auf mehrere Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichenungen näher erläutert werden. Diese zeigen in:

Fig. 1 in sehr vereinfachter Form ein zur Produktion ausge rüstetes Bohrloch, in dem die äußere Verrohrung einer Vielzahl seismischer Aufnehmer zugeordnet ist, die in den Vergießzement eingebettet sind;

Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Befestigen der seismischen Aufnehmer außen an die äußere Verroh rung;

Fig. 3 zeigt schematisch ein asymmetrisches Zentrierungs element, welches es ermöglicht, seitlich die Verroh rung über eine gewisse Länge derart zu verschieben, daß der Raum, wo die Aufnehmer angeordnet sind, ver größert wird;

Fig. 4 zeigt schematisch die Ausbildung der Aufnehmer in der Zone der Dezentrierung der Verrohrung;

Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei welcher die Aufnehmer in einem Ringraum angeordnet sind, der durch eine Einschnürung der Verrohrung vergrößert wurde;

Fig. 6 zeigt eine Variante zur Fig. 5, wo die Einschnürung der Verrohrung asymmetrisch ist;

Fig. 7 zeigt schmetisch eine Ausführungsform, wo eine Schicht eines Dämpfungsmaterials zwischen jedem seismischen Aufnehmer und die äußere Wandung der Verrohrung zwischengeschaltet ist;

Fig. 8 zeigt summarisch eine Sende-Empfangsvorrichtung, die es ermöglicht, seismische Bohrlochprospektion in einer Produktionszone durchzuführen;

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der man Richtungs aufnehmer verwendet, die auf unterschiedlichen Tie fenniveaus angeordnet sind;

Fig. 10 zeigt eine Ausbildungsform mit drei Aufnehmern, am Umfang der Verrohrung unter 120° angeordnet;

Fig. 11 zeigt schematisch eine bekannte Vorrichtung, die man in ein verrohrtes Bohrloch zum Einführen von Ver gießzement absenkt;

Fig. 12 zeigt schematisch eine fest mit der Verrohrung ver bundene Muffe, die mit Lagern für seismische Aufneh mer ausgestattet ist; und

Fig. 13 zeigt schematisch die Anordnung eines seismischen Aufnehmers in seinem Lager.

Fig. 1 zeigt ein Bohrloch 1, welches bis zu einer gewissen Tiefe auf einen ersten Durchmesser gebohrt ist und über die se hinaus, insbesondere durch die Produktionszone hindurch, auf einen zweiten, kleiner als den ersten Durchmesser, aufge bohrt ist. Das Bohrloch ist in an sich bekannter Weise mit einer Verrohrung versehen, die aus zwei Teilen 2 a, 2 b un gleicher Querschnitte besteht, die auf die Bohrdurchmesser eingestellt sind. Der Teil geringeren Durchmessers 2 b ist mit einer Dichtigkeitseinrichtung variablen Volumens vom "packer"-Typ 4 versehen, die zum Schließen des Ringraums zwischen sich und dem anderen Teil 2 a größeren Durchmessers benachbart eines ihrer gemeinsamen Enden gebläht wird. Im Inneren der Verrohrung bis zu ihrem Teil 2 b geringeren Durch messers ist eine Bohrkolonne 5 angeordnet. Eine andere Dich tigkeitseinrichtung vom "packer"-Typ 6 ist benachbart dem unteren Ende der Produktionskolonne 5 derart angeordnet, daß in ausgefahrener Stellung der Ringraum zwischen ihr und dem unteren Teil 2 b der Verrohrung geschlossen wird. Eine Pumpen gruppe 7, die über ein elektrisches Kabel 8 gespeist wird, ist auf der Bohrkolonne 5 angeordnet. Der die Produktionszone P durchsetzende Teil der Verrohrung 2 b ist mit zahlreichen Öffnungen 9 versehen. Ein mit Ventilen versehener Bohrloch kopf 27 schließt die Verrohrung an ihrem oberen Ende.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, einen oder mehrere seismische Aufnehmer außerhalb der Verrohrung auf der Höhe ihres Teils größeren Durchmessers 2 a (oder des Teils eingeschnürteren Durchmessers 2 b, wenn das Volumen des äus seren Ringraums dies erlaubt) vor ihrem Absenken in das Bohr loch anzuordnen. Diese seismischen Aufnehmer sind mit der Oberfläche über ein oder mehrere Übertragungskabel 11 ver bunden. Man schreitet nun zur Zementierung der Verrohrung. Hierzu senkt man in ebenfalls bekannter Weise in die Ver rohrung 2 bis in die Nachbarschaft ihres unteren Endes ein Rohr 24 ab, das durch einen Spezialeinspritzansatz 25 ge schlossen ist, der ein Rückschlagventil enthält. Man legt das Rohr 24 vermittels einer Dichtigkeitseinrichtung 26 vom Typ "packer" fest (macht es unbeweglich) und spritzt Zement ein. Der Zement füllt allmählich, indem er hochsteigt, den Ringraum zwischen der Verrohrung 2 und dem gebohrten Loch 1. Am Ende der Zementierungsstufe sind sämtliche der im Ring raum angeordneten seismischen Aufnehmer 10 im Zement einge bettet.

Um die Verrohrung, um deren Absenken zu erleichtern, sind (Fig. 2) Zentrierungselemente 12 eines an sich bekannten Typs mit flexiblen Blättern oder Radialrippen beispielsweise ange ordnet. Nach einer Ausführungsform sind die seismischen Auf nehmer 10 an den Zentrierungselementen 12 befestigt. Das elektrische Kabel 11 (oder die Kabel, wenn mehrere vorhanden sind) wird gegen die äußere Wandung der Verrohrung 2 durch Spannschellen 13 gehalten.

Wenn das Volumen der Gehäuse der verwendeten seismischen Auf nehmer 10 nur schwierig mit den Abmessungen des Ringraums zwischen Bohrung und Verrohrung 2 kompatibel ist, so kann man asymmetrische Führungselemente 14 (Fig. 3) zum Dezentrieren der Verrohrung 2 auf dem Teil ihrer Länge verwenden, längs deren die Aufnehmer (Fig. 4) angeordnet sind. Die seismi schen Aufnehmer können an den Führungselementen 14 befestigt sein oder, wie Fig. 3 zeigt, zwischen der äußeren Wandung der Verrohrung 2 durch Befestigungsschellen 13 des Verbin dungskabels 11 beispielsweise gehalten sein. Man kann auch Verrohrungen verwenden, die (Fig. 5 oder 6) wenigstens einen Querschnitt 15 aufweisen, dessen Durchmesser verengt ist. Der verengte Teil kann symmetrisch sein (Fig. 5) oder asymmetrisch sein (Fig. 6), wenn sämtliche der Empfänger auf der gleichen Seite der Verrohrung angeordnet sind.

Nach einer Ausführungsform wird eine elastische Material schicht 16 zwischen jedem seismischen Aufnehmer 10 und die Wandung der Verrohrung 2 (Fig. 7) derart zwischengeschaltet, daß sie von dieser akustisch entkoppelt wird. Die Schicht 16 ist beispielsweise eine äußere Umhüllung (Überzug) der Ver rohrung.

Die im Ringraum um die Verrohrung 2 angeordnete Gruppe seis mischer Empfänger 10 kann, wie Fig. 8 zeigt, verwendet wer den, um seismische Aufzeichnungen vorzunehmen. Eine seismi sche Quelle 17 (ein Vibrator oder eine Impulsquelle) erzeugt an der Erdbodenoberfläche seismische Wellen, die sich in der Tiefe fortpflanzen. Die durch die verschiedenen unterirdi schen Reflektoren zurückgesandten Wellen, insbesondere die der Produktionszone P werden durch die verschiedenen Empfän ger 10 empfangen und die ermittelten seismischen Signale werden durch Übertragungskabel 11 bis zu einem Aufzeichnungs labor 18 übertragen.

Die seismischen Aufnehmer können auch verwendet werden, um Operationen der seismischen Prospektion Bohrloch für Bohr loch vorzunehmen oder auch, um passiv Phänomene abzuhören, die in einem Bohrloch während der Produktion auftreten (Strö mungsgeräusch der Fluide, die in den Kolonnen strömen) oder bei Stillstand der Produktion (Ermittlung von Rissen oder Frakturierungen, die durch die Produktion oder das Einführen der Fluide induziert wurden).

Die verwendeten seismischen Aufnehmer sind beispielsweise Geophone oder Beschleunigungsmesser. Man wählt ihre Zahl und Anordnung je nach den ins Auge gefaßten Anwendungen.

Die Aufnehmer sind beispielsweise längs ein und dergleichen Erzeugenden der Verrohrung 1, wie Fig. 8 zeigt, angeordnet. Man kann auch ggf. Richtungsaufnehmer (Fig. 9, 10) verwenden, deren Achsen man tangential zur Verrohrung (Aufnehmer 19) entsprechend radialen Richtungen (Aufnehmer 20) orientiert oder auch längs Zwischenrichtungen (Aufnehmer 21). Diese Zwischenrichtungen können in der Transversalebene, wie Fig. 9 zeigt, enthalten sein oder können auch nach oben oder unten bezüglich dieser Ebene geneigt sein. An ein und demgleichen Ort kann man ein Gehäuse 22 anordnen, welches 3 Richtaufneh mer enthält, die längs drei orthogonalen Achsen ausgerichtet sind.

Man kann ebenfalls die Aufnehmer derart anordnen, daß die Ankunftsrichtung der seismischen Signale bestimmt wird. Hier zu ordnet man mehrere Richtaufnehmer (im folgenden Richt empfänger genannt) 23 am Umfang der Verrohrung in ein und dergleichen Transversalebene unter 120° zueinander an. Nach der Ausführungsform der Fig. 10 sind die Achsen der Aufneh mer radial angeordnet. Dies ist aber nicht als begrenzend anzusehen. Es ist ebenfalls möglich, daß die Achsen der Auf nehmer bezüglich der Transversalebene, entweder, bezogen auf das Bohrloch, nach oben oder nach unten neigen, wobei der Neigungswinkel beliebig sein kann.

In der allgemeinsten Konfiguration kann die Gruppe seismi scher Empfänger mehrere Gruppen von Empfängern umfassen, die längs eines Teils der Verrohrung verteilt sind, wobei jede der Gruppen mehrere Aufnehmer, ggf. Richtempfänger, umfaßt, die an deren Umfang angeordnet sind.

Eine praktische Verwirklichungsform der Erfindung, die es beispielsweise ermöglicht, mehrere Richtempfänger an der Verrohrung zu befestigen (Fig. 12 und 13) bestimmt, besteht darin, an dieser Muffen mit einem oder mehreren Lagern fest zulegen. Jede Muffe umfaßt zwei Halbschalen 28, 29, die die Verrohrung einschließen und die mit miteinander über Bolzen (deren Achsen mit 30 bezeichnet sind) vereinigt sind. Die Muffe ist asymmetrisch. Die dickste Halbschale (28) umfaßt drei zylindrische Lager 31, 32, 33, deren Achsen längs drei orthogonaler Richtungen orientiert sind, und zwar zwei in einer Horizontalebene, die dritte liegt parallel zur Achse der Verrohrung 2. Jedes Lager ist von einem dichten Deckel 34 abgeschlossen. Ein Kabel mit zwei Leitern 35 ist jedem Geo phon 36 zugeordnet. Übliche, nicht dargestellte Einrichtungen werden dem Deckel 34 zugeordnet, um die Dichtheit beim Durch gang des Kabels 35 sicherzustellen.

Jede Muffe mit drei Lagern läßt sich durch drei Lager vermin derter Länge ersetzen, die jeweils ein Lager wie 31 oder 32 umfassen, dessen Achse in einer Transversalebene angeordnet ist, oder ein Lager wie 33, dessen Achse parallel zur Verroh rung 2 liegt. Eine Veränderung der Orientierung eines Geo phons in einer Transversalebene wird leicht dadurch erhalten, daß man die Muffe 28 bezüglich der Verrohrung dreht.

Claims

1. Verfahren zum Einbau seismischer Aufnehmer in ein Bohrloch (1), das zur Produktion von Erdölfluiden ausgerüstet ist und eine in das Bohrloch durch Zementierung eingegossene Verrohrung (2) umfaßt, dadurch gekennzeich net, daß man die seismischen Aufnehmer (10) außerhalb der Verrohrung anordnet und daß man sie in den Zement, der das Vergießen sicherstellt, einbettet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die verschiedenen seismischen Aufnehmer auf unter schiedlichen Tiefen außerhalb der Verrohrung anordnet und daß man sie an der Oberfläche durch elektrische Leiter (11) verbindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens eine Gruppe seismischer Aufnehmer außerhalb der Verrohrung im wesentlichen auf ein und dergleichen Tiefe anordnet, wobei die Aufnehmer jeder Gruppe mit der Oberfläche über elektrische Leiter verbunden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vielzahl von Gruppen seismischer Aufnehmer auf unter schiedlichen Tiefen anordnet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verrohrung (2) außen fest mit Führungseinrichtungen (12, 14) ist, dadurch ge kennzeichnet, daß man die seismischen Aufnehmer mittels Führungseinrichtungen befestigt, wobei die elektrischen zugeordneten Leiter über Schellen (13) gegen die Außen wandung der Verrohrung gehalten sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtungen (14) derart asymmetrisch sind, daß die Verrohrung (2) gegen eine Seite des Bohrlochs auf wenigstens einem Teil seiner Länge gespreizt ist oder aus wandert, wobei die seismischen Aufnehmer außerhalb der Verrohrung auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Verrohrung auf einem Teil (15) ihrer Länge vermindert ist, wobei die Aufnehmer gegen die Ver rohrung im Teil verminderten Querschnitts angeordnet wer den.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Richtempfänger (19, 20, 21) verwendet, und daß man wenigstens einen Richtempfänger auf jedem Tiefenniveau anordnet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Empfänger (22) auf jedem Tiefenniveau anord net, derart, daß die verschiedener Achsen polari sierte Wellen aufgenommen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Richtempfänger (23) am Umfang der Verrohrung (2) anordnet.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger Geophone oder Beschleunigungsmeßgeräte sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schicht (16) eines Dämpfungsmaterials zwischen die Empfänger und die Verrohrung einschaltet.

13. Vorrichtung zum Einbau seismischer Empfänger in ein Erd ölproduktionsbohrloch, gekennzeichnet durch wenigstens eine Muffe (28, 29) und Einrichtungen zur Befestigung der Muffe an der Verrohrung, wobei die Muffe wenigstens ein dichtes Lager für einen seismischen Aufnehmer oder Empfänger (36) umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe oder der Aufnehmer drei zylindrische Lager (31, 32, 33) umfaßt, deren Achsen jeweils längs dreier ortho gonaler Richtungen orientiert sind.