超分辨率地層流體成像的制作方法
【專利摘要】使用高功率脈沖磁場源、時域信號采集、低噪聲磁場傳感器、空間過采樣及超分辨率圖像增強(qiáng)和注入的磁性納米流體來執(zhí)行井間電磁(EM)成像。井間圖像通過映射電磁(EM)信號速度(群速度)而不是傳導(dǎo)圖來產(chǎn)生。提供了具有改善的針對天然和注入流體的分辨率的EM速度圖。
【專利說明】超分辨率地層流體成像
[0001]發(fā)明人:H0WARDK.SCHMIDT

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及對地下結(jié)構(gòu)特別是油氣儲層及其中的流體進(jìn)行成像，更具體地涉及井間(cross-well)和井地(borehole-to-surface)電磁(EM)勘探。

【背景技術(shù)】
[0003]井間和井地電磁(EM)勘探涉及放置在一口鉆井內(nèi)的連續(xù)波(CW)EM源和在遠(yuǎn)端鉆井內(nèi)檢測EM信號的相位和幅度的接收器/傳感器，所述井間和井地電磁(EM)勘探使用多個源和接收器位置。數(shù)據(jù)讀數(shù)被用作產(chǎn)生信號的合成時域變形，推測的傳輸時間與源/接收器幾何結(jié)構(gòu)一起用于通過使用射線追蹤反演來建立井間平面的2D傳導(dǎo)矩陣或圖像。
[0004]在油氣儲層中總是存在導(dǎo)電性鹽水，鹽水的存在使得EM信號與其頻率成比例的衰減。鹽水的存在、約I公里或以上的大井間距離以及傳統(tǒng)接收器中的熱噪聲限制使得連續(xù)波EM勘探需要非常低的頻率操作，通常大約200Hz。所需的低頻率操作范圍極大地限制了井間成像分辨率，這是因為:a)其處于擴(kuò)散區(qū)域，b)其具有非常大的波長。目前所知，只能獲得井間間距的l/10th到l/20th的空間分辨率。
[0005]由于在油氣儲層內(nèi)鉆井的實際間隔通常跨越幾百到幾千米且這種儲層通常與導(dǎo)電性鹽水相關(guān)聯(lián)，所以橫跨儲層會遭遇顯著的EM信號衰減。這種衰減是與頻率有關(guān)的，較高的頻率比較低的頻率衰減更多。由于較高的頻率具有較短的波長，因此提供較佳的成像分辨率，有利的是在經(jīng)過關(guān)注儲層區(qū)域之后仍然提供可檢測信號的最高頻率上操作。然而，鹽水的存在、濃度和分布在勘測之前通常是未知的，因此無法提前確定使用EM勘探來勘測儲層的最優(yōu)頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]簡而言之，本發(fā)明提供了新的改進(jìn)的用于對油氣地下儲層進(jìn)行電磁成像的設(shè)備。所述設(shè)備包括電磁能量源，其發(fā)射穿過油氣地下儲層的電磁能量脈沖。所述設(shè)備中的多個電磁傳感器形成從所述電磁能量源發(fā)射的脈沖的到達(dá)時間的測量值。所述設(shè)備還包括處理器，其對來自多個電磁傳感器的到達(dá)時間數(shù)據(jù)的測量值進(jìn)行分析以形成油氣地下儲層的地下特征的表征。所述設(shè)備中的顯示器形成所述油氣地下儲層的地下特征的表征的圖像。
[0007]本發(fā)明還提供了新的和改進(jìn)的油氣地下儲層的電磁成像方法。發(fā)射穿過油氣地下儲層的電磁能量脈沖，在多個電磁傳感器處形成所發(fā)射的脈沖的到達(dá)時間的測量值。對來自多個電磁傳感器的到達(dá)時間數(shù)據(jù)的測量值進(jìn)行分析以形成油氣地下儲層的地下特征的表征，之后形成油氣地下儲層的地下特征的表征的圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是用于井地電磁勘探的發(fā)射器-接收器陣列的示意圖。
[0009]圖2是用于井間電磁勘探的發(fā)射器-接收器陣列的示意圖。
[0010]圖3A是用于電磁勘探的電磁能量發(fā)射器的示意圖。
[0011]圖3B是用于電磁勘探的電磁能量接收器的示意圖。
[0012]圖4是方波電磁能量信號的功率譜圖。
[0013]圖5A是用于電磁勘探的脈沖發(fā)生器的示意電路圖。
[0014]圖5B是由圖5A的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的示例波形。
[0015]圖5C是用于電磁勘探的由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的實際脈沖的示例波形。
[0016]圖6A是用于電磁勘探的基于半導(dǎo)體的脈沖發(fā)生器的示意電路圖。
[0017]圖6B是由圖6A的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的示例電壓和電流波形圖。
[0018]圖7是用于電磁勘探的感應(yīng)傳感器的等效電路的示意電路圖。
[0019]圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例井間電磁勘探的示意圖。
[0020]圖9A、圖9B和圖9C是地下介質(zhì)的各種頻率和傳導(dǎo)性的范圍對比功率的繪圖。
[0021]圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。
[0022]圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。
[0023]圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。
[0024]圖13是根據(jù)本發(fā)明的井間電磁勘探的測試結(jié)果的示意圖。

【具體實施方式】
[0025]作為引言，本發(fā)明涉及對地下結(jié)構(gòu)特別是油氣儲層及其中的流體進(jìn)行成像。主要方法與井間和井地電磁(EM)勘探技術(shù)相關(guān)。本發(fā)明具體集中在使用高功率脈沖EM源的全時域數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明還可包括空間過采樣和超分辨率數(shù)據(jù)處理技術(shù)來改善圖像分辨率。本發(fā)明還可使用磁性材料來提供包含注入流體的區(qū)域的圖像對比。
[0026]使用高功率脈沖電磁場源、全時域信號采集、現(xiàn)代低噪聲磁場傳感器、空間過采樣及超分辨率圖像增強(qiáng)和注入磁性納米流體的組合，來提供一種改進(jìn)的井間EM成像方法。本發(fā)明所提供的方法產(chǎn)生映射EM信號速度(群速)而不是傳導(dǎo)圖(conductivity map)的井間圖像。傳統(tǒng)連續(xù)波(CW)源在井下環(huán)境中一般受限在約1500瓦。比較起來，根據(jù)本發(fā)明的脈沖源有助于簡單的到達(dá)時間采集方案且容易支撐兆瓦特發(fā)射器。如將要描述的，簡單的電流回路發(fā)射天線可以由Blumlein、Marx發(fā)生器、簡單的火花隙、脈沖形成LC網(wǎng)絡(luò)或其他源來從快速放電能量源(電容器)驅(qū)動以產(chǎn)生需要的電流和功率等級。更高的功率等級提升井間EM成像的范圍和/或操作頻率。使用這種源和具有噪聲指數(shù)在每Hz皮特斯拉至飛特斯拉范圍的可用現(xiàn)代磁場傳感器(例如磁通門、SQUID、探測線圈等)，與現(xiàn)有技術(shù)相比可得到P/N比(發(fā)射功率與接收器熱噪聲之比)的實質(zhì)改善。由于油氣儲層流體結(jié)構(gòu)和組成只緩慢變化，所以時間可用于執(zhí)行具有相對小的發(fā)射器/接收器定位階梯的這種測量。取決于所執(zhí)行的過采樣的量，這種“過采樣”按照三至十的比例與超分辨率圖像反褶積方法一起使用來改善圖像分辨率。最后，可以注入用磁性納米顆粒負(fù)載的流體(一般是水)，與純水相比，其容易地降低群速5至10個百分點?？梢砸蕴烊换蛳惹白⑷氲乃疄楸尘皝沓上裨摿黧w。在注水環(huán)境中，這有助于確定注入流體的動態(tài)流動路徑。因此，本發(fā)明提供了針對天然流體和注入流體的具有井間間隔最高10th分辨率(即，之前可得的5到10倍)的EM速度圖。
[0027]采用本發(fā)明，從地下儲層中或附近的一個位置處的高功率、脈沖電磁脈沖EM源產(chǎn)生具有已知特征的電磁(EM)脈沖。所發(fā)射的脈沖EM信號被發(fā)射穿過儲層，并在穿過儲層的地下地層之后被一個或多個其他EM能量接收器記錄。在經(jīng)過儲層之后所記錄的EM信號與所發(fā)射的信號在取決于中間介質(zhì)(例如，儲層)的特性以及這些特性的空間變化的特征(例如，時間、幅度、功率譜等)方面不同。
[0028]在圖1中，發(fā)射器Tx的源陣列20的EM勘探位置的示例排列布置在井孔或鉆井22內(nèi)。在圖1中，適當(dāng)數(shù)量的EM能量接收器Rx的陣列24被布置在地表上形成所謂的井地陣列。同樣如圖1所示，EM能量接收器RX的另一組或陣列26被布置在與發(fā)射鉆井22間隔開的另一井鉆井28內(nèi)。
[0029]發(fā)射器Tx可以置于鉆井內(nèi)或置于地表上。同樣地，接收器Rx可以置于鉆井內(nèi)或置于地表上?？梢圆捎贸^一口鉆井；這種構(gòu)造通常稱為“井間”。如果只有一口鉆井結(jié)合地面陣列被使用，該配置通常稱為“井地”。圖1示出了這兩種構(gòu)造。通常，至少使用一口井以便EM信號能夠穿過關(guān)注區(qū)域。
[0030]如圖2所示，多數(shù)EM能量測量采用發(fā)射器和接收器位置的不同組合來執(zhí)行以便從不同方向采樣儲層的不同部分。在圖2中，在發(fā)射鉆井32中的若干發(fā)射器32發(fā)射高功率脈沖EM能量，以經(jīng)過地下地層到達(dá)接收器鉆井38內(nèi)的接收器36組。諸如40a、40b和40c所示的波形顯示表示源自在一定深度處的接收器36的作為EM信號傳播時間的函數(shù)的示例讀數(shù)。如圖2所示的對于給定發(fā)射器和接收器位置組的多個傳輸測量可以進(jìn)行累加或求平均以改善信噪比?？梢圆捎枚鄠€發(fā)射器(例如，陣列)以及多個接收器(例如，陣列)。通常，無論是獨立的或組成陣列的發(fā)射器和接收器，都被置于多個位置處來采樣儲層的不同部分并從不同方向上采樣每個部分。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，如圖3A和圖3B所示，回路天線和脈沖電流發(fā)射器產(chǎn)生高功率EM信號。示例的該發(fā)射器32 (圖2和圖3A)包括與供電高壓模塊48連接的具有火花隙的回路天線44。電容器50橫跨源自供電模塊48的引線連接在回路天線44中，負(fù)載電阻器52連接在供電模塊48和火花隙46之間。
[0032]圖3A的示例發(fā)射器32是如圖2示意性示出的若干這種單元中的一個，其安裝至由地表處的車輛58的吊線56放下的工具或探頭54上。圖2所示的發(fā)射器32及其他發(fā)射器在EM勘探期間移動到發(fā)射鉆井內(nèi)的一定深度。與地面處的車輛58相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)控制單元60在吊線上發(fā)送如62處所示的信號或脈沖來提供發(fā)射脈沖的能量。一旦啟動，高壓電源48通過限流電阻器52向能量存儲電容器50充電，直到其達(dá)到火花隙46的擊穿電壓。電流脈沖通過回路天線44 (其可能具有多于一個環(huán)或回路)放電。小電流回路45或感測線圈被供電來捕獲由44所產(chǎn)生的小部分電磁場；感測線圈45與用來向記錄設(shè)備或儀器提供啟動信號的同軸電纜56連接。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是也可以使用其他形式的發(fā)射器。
[0033]示例接收器36(圖2和圖3B)包括與記錄儀器或示波器模塊或卡68連接的回路天線66。圖3B的接收器36是如圖2示意性示出的若干這種單元中的一個，其安裝至由地表處的EM測井車輛74的吊線72放下的工具或探頭70上。圖2所示的接收器64及其他接收器在EM勘探期間移動至接收鉆井中的數(shù)個深度。與EM記錄車輛74相關(guān)聯(lián)的記錄和處理儀器基于地面記錄和處理儀器通過吊線72中的“開始總線”給出的命令，將從發(fā)射鉆井經(jīng)過關(guān)注儲層之后被接收到的高能量EM脈沖記錄通過吊線72發(fā)回。這些記錄隨后被存儲到計算機(jī)60并可用于進(jìn)一步的處理和計算機(jī)化分析。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是其它形式的接收器也可使用。
[0034]根據(jù)本發(fā)明，一般地，高能量EM能量且長度和上升時間可選的方形電流脈沖被提供為從EM能量發(fā)射器產(chǎn)生的EM信號。該EM脈沖是有利的，因為它們的產(chǎn)生和控制相對簡單并且包括寬頻率分量范圍。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射器所發(fā)射的種類的單個(點包絡(luò)線78)脈沖和重復(fù)(&處及其奇次諧波的箭頭80)脈沖的代表功率譜。
[0035]由于在油氣儲層中鉆井的實際間隔通常橫跨幾百到幾千米，另外由于這種儲層通常與導(dǎo)電性鹽水相關(guān)聯(lián)，所以幾乎普遍遭遇EM信號穿過儲層被顯著衰減的情況。這種衰減是與頻率相關(guān)的，因此更高的頻率比更低的頻率衰減更多。由于更高的頻率具有更短的波長，因此提供更佳的成像分辨率，采用本發(fā)明有利的是在經(jīng)過關(guān)注儲層區(qū)域之后仍然提供可檢測信號的最高頻率上操作。由于鹽水的存在、濃度和分布在勘測之前通常是未知的，因此用于測量儲層的最優(yōu)頻率無法提前確定。因此，根據(jù)本發(fā)明的固有寬帶EM源被采用，其由圖3A所示的方形脈沖回路天線發(fā)射器32提供。
[0036]本發(fā)明所提供的另一優(yōu)點是能夠動態(tài)控制所發(fā)射的EM能量電流脈沖的長度。降低電流脈沖的長度使fo上升并且將包絡(luò)線推向更高頻率，確保在給定T-R間隔和信號功率處成像儲層時獲取最佳可能的分辨率。采用本發(fā)明的信號形狀的另一有用特征是所發(fā)射能量的頻譜在OHz包括大量功率。如稍后描述的，這結(jié)合注入的磁性納米流體具有價值。
[0037]可以采用多種傳統(tǒng)類型的若干EM源，只要這種源包括可用于確定穿過儲層的傳播時間的某些時間變化特征并且其具有足夠的能量來允許在儲層地點處的檢測。優(yōu)選源包括如圖3A中32處所示的回路天線，其可具有多重導(dǎo)體回路。如已描述的，該天線優(yōu)選由脈沖高電流方波驅(qū)動。這種電流分布可以由脈沖形成電路來方便地形成，例如本領(lǐng)域公知的Blumlein電路類型或晶閘管電路類型。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是當(dāng)然可以使用合適的電路或源。
[0038]圖5A的82處示意性地示出了示例Blumlein源。當(dāng)開關(guān)84閉合時,如圖5B所示的理想矩形脈沖85被施加到具有與脈沖發(fā)生器82相同阻抗的負(fù)載86上。如圖5B所示的脈沖85的幅度由充電電壓來確定,脈沖寬度由電信號的傳輸線路的長度和傳播速度V來確定。圖5C是從Blumlein脈沖發(fā)生器82到10hm負(fù)載的具有10_ns時間寬度和35kV電壓幅度的單個輸出脈沖88的繪圖。加壓的火花隙提供了 Ins的上升時間。
[0039]Blumlein源82通常采用火花隙(雖然一些變形可能是外部觸發(fā))來初始化脈沖。能量通過高壓電源90來提供，用于根據(jù)本發(fā)明的EM勘探的脈沖的能量被存儲在高壓同軸電纜或與圖5A的92處所示相類似的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。EM勘探脈沖的長度由同軸電纜92的長度來確定并且該電纜的單位長度的特征阻抗和電容確定所傳輸?shù)碾娏?，其以?biāo)稱恒速抵達(dá)。由于油氣儲層通常位于地下約10，000英尺，向鉆井中的EM源傳輸高電壓的同軸電纜能便利地作為如圖5A中所示那樣的Blumlein源并產(chǎn)生約10微秒長度的脈沖。
[0040]如圖6A中94處示意性示出的，用于EM源的替代供電可包括電容器組和高壓開關(guān)(通常是晶閘管裝置)。分別示出電壓和電流的波形96和98組(圖6B)，針對根據(jù)本發(fā)明的最大電流脈沖。術(shù)語“晶閘管”被用于標(biāo)識包括SCR(硅可控整流器)和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的密切相關(guān)的半導(dǎo)體裝置類別。在Blumlein源脈沖的長度將不再適合的情況下，這種半導(dǎo)體裝置傳送更長的脈沖。與機(jī)械或氣體放電開關(guān)相比，這種固態(tài)開關(guān)在適度提升了成本和復(fù)雜性的同時提供了更低的維護(hù)費用和更長的生命周期。應(yīng)當(dāng)注意到的是雖然更普遍的配置是使用電容器組用于能量存儲，但是晶閘管可以用于切換Blumlein脈沖發(fā)生器的輸出，以及通過選擇或控制負(fù)載裝置的阻抗來限制或整流電流輸出。
[0041]本發(fā)明中所使用的接收器36優(yōu)選采用磁場換能器和時域記錄裝置的形式。記錄裝置可以簡單采用過零鑒別器和快速計數(shù)器來記錄信號到達(dá)時間，或者可采用更復(fù)雜的和高成本的瞬態(tài)記錄器或數(shù)字示波器模塊。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是可以使用換能器。簡單和普遍合適的換能器是回路天線，如圖3B的66處所描述的公知的示例磁場傳感器“探測線圈”。探測線圈通常具有許多導(dǎo)體回路來提升靈敏度。
[0042]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的是多種裝置可以用于捕獲由EM源42所產(chǎn)生的磁場并將感測到的磁場讀數(shù)轉(zhuǎn)換為可以被記錄用于后續(xù)分析的電信號。替代傳感器可包括被稱為SQUID的超導(dǎo)裝置、磁通門、霍爾傳感器和自旋閥。在圖7的100處以等效電路形式示意性地示出了示例性的探測線圈。
[0043]空間和時間過采樣
[0044]超分辨率圖像增強(qiáng)包括本發(fā)明的另一方面。成像分辨率通常認(rèn)為是受基于EM探測的波長的受衍射限制的分辨率的約束。然而，可以結(jié)合包括一些系統(tǒng)邊界和結(jié)構(gòu)的認(rèn)知的反演模型來執(zhí)行空間過采樣。這通過產(chǎn)生具有大大超過通常被認(rèn)為是衍射極限的分辨率的圖像來完成-特別是如果在近場中執(zhí)行采樣。
[0045]現(xiàn)成例子來自油田中的感應(yīng)測井。感應(yīng)測井通常在IMHz左右的頻率上操作，取決于地層阻抗，其將表示波長和約100到1000米的分辨率。然而，實際上，通過恰當(dāng)?shù)姆囱荽a和地層的層級模型的響應(yīng)，通常實現(xiàn)約I米或以下的有用分辨率。
[0046]通過本發(fā)明，認(rèn)為高達(dá)井間間隔l/20th的井間EM成像分辨率是實際和期望的目標(biāo)。實際上，在發(fā)表文獻(xiàn)中，以約200Hz頻率發(fā)射連續(xù)波信號的信號源用于850米井間間隔來產(chǎn)生具有約45米塊的圖像。45米距離是200Hz EM信號的波長(在具有0.05西門子電導(dǎo)的介質(zhì)中約1000米)的極小部分。因此，對比EM探測的波長，成像分辨率更加取決于采樣頻率。
[0047]相反，本發(fā)明采用垂直指向鉆井軸的空氣線圈天線。此外，采用了寬帶脈沖操作以及I米或以下測量間隔，特別是在流體注入和生產(chǎn)的地點附近。
[0048]數(shù)據(jù)處理
[0049]層析成像反演將在現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為儲層的圖像。該處理的示例由Abubakar等人描述(德克薩斯州，休斯頓，2005年度會議“A fast and rigorous2.5D invers1nalgorithm for cross-well electromagnetic data，，，SEG Extended Abstracts,2005Annual Mtg.Houston, Texas)。該處理任務(wù)需要通常是病態(tài)且非唯一的全非線性反演散射問題的解。他們的方法采用有限差分碼作為正演仿真器(forward simulator),其中配置使用由最優(yōu)網(wǎng)格技術(shù)所確定的少量單元來數(shù)字離散化。正演問題在每個反演步驟解決，LU分解方法被用于同時獲取所有發(fā)射器的解。需注意在現(xiàn)有技術(shù)中基于粗糙矩形網(wǎng)格元來使用的有限差分方法對正演解引入了大量限制(簡化)以便加速計算。
[0050]在美國專利申請第5，373，443號中描述了略微不同的方法。所使用的該方法基于由純正弦波驅(qū)動的螺線管(與鉆井同軸)源并在具有另一螺線管(同樣與鉆井同軸)的遠(yuǎn)端鉆井處記錄磁場的幅度和相位。該測量(稱為擴(kuò)散場)被數(shù)學(xué)變換為波場，之后在源-接收器配對之間的信號速度從所述波場推測。這些“射線”被用作層析成像地構(gòu)造井間區(qū)域的傳導(dǎo)圖。
[0051]與之對比，本發(fā)明采用脈沖寬帶EM源，接收的波形以時域記錄。直接測量每個源-接收器配對的傳播時間。傅里葉變換之后可選用于將接收到的信號分解為它們的各種頻率分量并從而抽取作為頻率函數(shù)的傳播時間。由此變得可用的附加信息可用于在介質(zhì)具有物質(zhì)散布時改善反演速度圖像-這是因為在射線追蹤模型中不同頻率分量具有不同的傳播時間和衍射路徑。
[0052]此外，不同密度自適應(yīng)(矩形)網(wǎng)格元被用在有限元模型中以產(chǎn)生正演解，類似于在COMSOL Mult1-Physics中所使用的網(wǎng)格方法。該方法增加靠近源和接收器區(qū)域的網(wǎng)格密度。由于地質(zhì)模型通常粗糙且成塊狀，所以至少使用雙網(wǎng)格原理來產(chǎn)生關(guān)注區(qū)域的速度圖像。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)是檢測和監(jiān)控所注入流體的路徑。因此，作為另一改進(jìn)/實施例，采用流線模型來估計所注入流體的路徑和量。流線仿真器將3D塊模型變換為若干等通量的流體路徑。盡管路徑本質(zhì)上是3D的，但因為本質(zhì)上是一維問題，所以它們可以單獨求解，極大提升了計算效率。由于每個流線單獨操作，所以它們還可以被看做是包括了所注入流體的總流量的準(zhǔn)正交基組。
[0054]使用初始地質(zhì)模型和預(yù)注EM數(shù)據(jù)，可單獨計算沿著每個流線所注入的流體的影響(在EM場和傳播中變化)的前演解?？芍蟠_定最符合所觀測到的EM場和在流體注入一段時間之后所觀測到的傳播時間的這些分量的線性累加。結(jié)果可映射回原地質(zhì)模型來更新作為時間函數(shù)的流體成分并表明在基本地質(zhì)模型中的恰當(dāng)?shù)目紫抖群屯高^性變化。該方法因此采用與傳統(tǒng)處理非常不同形式的三網(wǎng)格建模系統(tǒng):用于地質(zhì)模型的笛卡爾塊、用于流體流量的流線和用于E M傳輸?shù)母鞣N矩形網(wǎng)格。
[0055]對比度成像
[0056]磁對比增強(qiáng)對所注入的流體提供了獨特的信號。油、氣、水、鹽水和儲層巖石通常具有基本為O的磁特性。本發(fā)明的另一方面采用所注入的流體來改變被該流體侵入的儲層體積的磁特性。這可以通過將注入流體載入預(yù)制磁性納米顆粒或當(dāng)進(jìn)入儲層中時能隨之反應(yīng)以產(chǎn)生磁性材料的非磁性化學(xué)品來實施。
[0057]EM信號的群速單純地取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率:V = ( ε μ )_1/2。因此，通過以具有μ = ?ο的流體注入到具有20%孔隙度的地層內(nèi)，則該儲層體積將具有有效導(dǎo)磁率2，穿過其的EM波的速度將減少約30% (1/1.414)。該時移是采用現(xiàn)代波形記錄儀器可容易地檢測到的。
[0058]磁修正地質(zhì)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)極化&松弛
[0059]本發(fā)明的另一方面涉及在注入了流體之后觀測在儲層中的磁性材料的延遲磁性瞬態(tài)響應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意到磁性材料通道磁通量非常類似于良導(dǎo)體通道電場和電流。因此，本發(fā)明所采用的EM源的長脈沖性質(zhì)磁性地極化EM源附近的儲層修正區(qū)域。EM能量被轉(zhuǎn)換且以靜磁場的形式存儲在儲層的修正部分內(nèi)。當(dāng)脈沖結(jié)束時，磁場隨著取決于該區(qū)域磁通量以及磁化區(qū)域尺寸的特征衰減(可能以共振方式)。該磁場可以在遠(yuǎn)端儲層(在另一鉆井內(nèi)或在地表處)檢測到，或者通過使用源天線作為接收器在回歸到源鉆井內(nèi)檢測到。
[0060]如源區(qū)域中所觀測到的一樣，存儲在修正區(qū)域內(nèi)的總磁能量可從其B-場強(qiáng)和時間衰減特征推測。類似地，遠(yuǎn)端接收器將在與磁化儲層體積的RLC時間常量相對應(yīng)的頻率上觀測到顯著提升的B-場強(qiáng)度。在某種意義上，修正的儲層體積起到磁天線的作用，將假(apparent) EM源移近儲層。給出儲層中的指數(shù)衰減性質(zhì)，注入前沿異常在接收器產(chǎn)生顯著提升的信號強(qiáng)度。檢測的該侵入異常是本發(fā)明的另一重要方面。
[0061]本發(fā)明的另一方面包括在給定源位置使用一系列不同長度的磁脈沖。具有更深流體滲入的位置花費更長時間來完全磁化，滲入的深度可以從磁化該區(qū)域的時間以及如上所述的當(dāng)源關(guān)閉時衰減時間的長度來推測。
[0062]本發(fā)明的另一方面涉及從遠(yuǎn)端EM源(可能在另一鉆井中或位于地面上)磁化被流體修正的儲層體積。地面源極其便利，因為其可以任意移動，還因為去除了鉆井幾何約束，允許更大和更強(qiáng)的EM源。
[0063]在操作中，如圖8所示的基本井間配置與圖2所描述的非常類似。EM脈沖在第一鉆井124中所示出的多個TX位置122的每個處產(chǎn)生，EM脈沖在第二鉆井128中所示出的多個RX位置126的每個處記錄。該觀測的矩陣被用作確定在每個TX-RX配對之間作為頻率函數(shù)的傳播時間和信號強(qiáng)度。反演在包括名義平行鉆井配對的名義平面上產(chǎn)生EM速度的2D圖像。在水侵巖石中的EM速度比在油侵巖石中慢4倍。磁修正注入流體或磁修正儲層體積的EM速度可比水侵巖石中的略慢至慢幾倍。傳導(dǎo)性和磁通量一般趨向于使EM信號衰減，所以作為頻率函數(shù)的信號幅度(或功率)表明了沿著連接給定TX-RX位置配對的線路的平均傳導(dǎo)性或傳導(dǎo)性和(磁)通量的乘積。該信息提供了與單純?nèi)核俣葻o關(guān)的另一約束并可在改善圖像質(zhì)量和精確度的反演期間使用。該處理應(yīng)當(dāng)在注入流體以捕獲原始油氣地層的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)之前執(zhí)行。該處理周期性地重復(fù)以對注入前沿的進(jìn)展和/或作為時間函數(shù)的修正的儲層容積進(jìn)行成像。
[0064]在本發(fā)明中所使用的寬帶脈沖(全程直到0Hz，圖4)的重要優(yōu)點是確定從源到接收器的一些可檢測的信號被獲取，而無關(guān)介質(zhì)的距離和傳導(dǎo)性。還確定能夠穿過距離并保持可檢測的最高頻率被產(chǎn)生和采樣。本發(fā)明因此提供了在給定現(xiàn)場情況和配置中可能的最大化信號和分辨率(最短波長)。
[0065]圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例EM勘探配置的示意圖?；诰哂谢鸹ㄏ队|發(fā)器(可以是閘流管、晶閘管或類似的固態(tài)開關(guān))的回路天線和由將地面組件與鉆井內(nèi)的發(fā)射器120相連接的長高壓同軸電纜所組成的Blumlein發(fā)生器形成單純脈沖源。使用典型50歐姆同軸電纜產(chǎn)生與電纜長度成比例的電流脈沖長度(每英尺電纜約Ins)。提供到放電和下游組件(例如，線圈天線)的功率通過多個參數(shù)來確定:每英尺同軸電纜的電容、群速度、特征阻抗和充電電壓。電流主要受限于同軸電纜的特征阻抗，放電功率由V*I給出。使用透入深度和作為頻率函數(shù)的EM信號的衰減度以及介質(zhì)的傳導(dǎo)性的典型關(guān)系，可以在使用傳統(tǒng)組件觀測到的可檢測的信號上計算出合理范圍。具有約-1OOdB探測范圍的構(gòu)造為探測線圈的回路天線被假定為在遠(yuǎn)端鉆井128中的接收器125。在這種簡單排列中的關(guān)鍵參數(shù)是充電電壓和介質(zhì)的傳導(dǎo)性，這些因素確定在遠(yuǎn)端鉆井128中容易檢測到的最大頻率。放電電壓與同軸電壓的平方成比例。對于每英尺30pF的典型電容，1000伏特充電電壓產(chǎn)生約15，000瓦特的輸出功率；10kV產(chǎn)生約1.5麗；100kV產(chǎn)生約0.15GW。根據(jù)不同頻率和在以下表格1、II和III中詳細(xì)列出的介質(zhì)的平均傳導(dǎo)性的范圍對比功率的曲線圖分別在圖9A、圖9B和圖9C中描述。
[0066]

【權(quán)利要求】
1.一種用于對油氣地下儲層進(jìn)行電磁成像的設(shè)備，包括: 電磁能量源，其發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖； 多個電磁傳感器，其形成由所述電磁能量源所發(fā)射的脈沖的到達(dá)時間的測量值； 處理器，其用于對來自所述多個電磁傳感器的到達(dá)時間數(shù)據(jù)的測量值進(jìn)行分析，以形成所述油氣地下儲層的地下特征的表征；和 顯示器，其形成所述油氣地下儲層的地下特征的表征的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電磁能量源進(jìn)一步包括發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖的多個電磁能量源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述多個電磁能量源被安裝在下降到所述地下儲層的鉆井中的井下工具中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述井下工具可移動至所述鉆井內(nèi)的一系列位置以在所述位置處發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述多個電磁能量源以陣列方式位于所述地下儲層之上的地表上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個電磁傳感器被安裝在下降到所述地下儲層的鉆井中的井下工 具中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述井下工具可移動至所述鉆井內(nèi)的一系列位置以形成由所述電磁能量源所發(fā)射的脈沖在所述位置處的到達(dá)時間的測量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個電磁傳感器以陣列方式位于所述地下儲層之上的地表上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述處理器進(jìn)一步對由所述多個電磁傳感器所感測到的電磁能量執(zhí)行層析成像反演分析。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述處理器進(jìn)一步對由所述多個電磁傳感器所感測到的電磁能量執(zhí)行傅里葉分析，以確定所述電磁能量的作為頻率的函數(shù)的傳播時間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電磁能量源發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的方波電磁能量脈沖。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中具有顆粒的注入流體被引入到所述儲層結(jié)構(gòu)中以改變存在流體的所述儲層的磁特性，所述多個電磁傳感器形成由于存在流體的所述儲層的磁特性變化而引起的所發(fā)射的脈沖的被改變的到達(dá)時間的測量值。
13.一種對油氣地下儲層進(jìn)行電磁成像的方法，包括步驟: 發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖； 在多個電磁傳感器處形成所發(fā)射的脈沖的到達(dá)時間的測量值； 對來自所述多個電磁傳感器的到達(dá)時間數(shù)據(jù)的測量值進(jìn)行分析，以形成所述油氣地下儲層的地下特征的表征； 形成所述油氣地下儲層的地下特征的表征的圖像。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中發(fā)射電磁能量脈沖的步驟進(jìn)一步包括從多個電磁能量源發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多個電磁能量源經(jīng)由所述地下儲層中的鉆井下降至井下工具中的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括將所述井下工具移動到所述鉆井中的一系列位置以在所述位置處發(fā)射穿過所述油氣地下儲層的電磁能量脈沖的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在所述地下儲層之上的地面上以陣列方式設(shè)置所述多個電磁能量源的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括將所述多個電磁傳感器經(jīng)由所述地下儲層中的鉆井下降至井下工具中的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括將所述井下工具移動到所述鉆井中的一系列位置以形成由所述電磁能量源所發(fā)射的脈沖在所述位置處的到達(dá)時間的測量值的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在所述地下儲層之上的地面上以陣列方式設(shè)置所述多個電磁傳感器的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述分析步驟進(jìn)一步包括對由所述多個電磁傳感器所感測到的所述電磁能量執(zhí)行層析成像反演分析的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中分析步驟進(jìn)一步包括對由所述多個電磁傳感器所感測到的所述電磁能量執(zhí)行傅里葉分析以確定所述電磁能量的作為頻率的函數(shù)的傳播時間的步驟。
23.根據(jù)權(quán)利 要求13所述的方法，其中在發(fā)射步驟期間所發(fā)射的所述電磁能量脈沖包括穿過所述油氣地下儲層的方波電磁能量脈沖。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括將包含顆粒的注入流體引入到儲層結(jié)構(gòu)中以改變存在流體的所述儲層的磁特性的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中形成到達(dá)時間的測量值的步驟包括形成由于存在流體的所述儲層的所述磁特性變化而引起的所發(fā)射的脈沖的被改變的到達(dá)時間的測量值。
【文檔編號】G01V3/12GK104081227SQ201280060653
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月8日
【發(fā)明者】霍華德·K·施密特 申請人:沙特阿拉伯石油公司