地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，其為評(píng)估地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植嫉男路椒?，用于分析地?zé)峋貙拥臒釋?dǎo)率和比熱容。向地?zé)峋仓凶⑷胨?，測(cè)量不同時(shí)間下水溫隨井筒的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱導(dǎo)率和比熱容隨地層深度的分布。該方法簡(jiǎn)單快捷、經(jīng)濟(jì)有效、所得地層熱物性精度高。
【專利說(shuō)明】地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地層熱物性分析領(lǐng)域，具體的說(shuō)是地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，用于計(jì)算地層的熱導(dǎo)率和比熱容。
【背景技術(shù)】
[0002]地?zé)峋貙訜嵛镄?，指地層的熱?dǎo)率和比熱容，是地?zé)岚l(fā)電的重要參數(shù)，如工質(zhì)的選擇和地層與工質(zhì)間的傳熱系數(shù)都與地層熱物性密切相關(guān)。
[0003]目前關(guān)于地?zé)峋貙訜嵛镄缘难芯枯^少，主要研究的是油井地層熱物性，其方法主要分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、理論推算和測(cè)井技術(shù)。
[0004]實(shí)驗(yàn)室測(cè)量主要通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)巖心樣本進(jìn)行測(cè)量來(lái)分析地層的熱物性。受實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量成本等因素的限制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量獲得的地層熱物性數(shù)據(jù)是比較有限的。
[0005]理論推算是通過(guò)建立近似反映地層結(jié)構(gòu)及其特性的物理和數(shù)學(xué)模型來(lái)分析地層的熱物性。鑒于地層復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及深層地層巖石和孔隙流體成分及含量的不確定性，通過(guò)理論推算的方法無(wú)法獲得準(zhǔn)確的地層熱物性。
[0006]測(cè)井技術(shù)是通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定地層巖石和所含流體的成分及其含量，再根據(jù)各組分的熱導(dǎo)率等參數(shù)選用合適的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算地層的熱物性。測(cè)井技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性，如數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、模型適用性差、分析過(guò)程復(fù)雜以及費(fèi)用昂貴等。
[0007]總之，目前分析地層熱物性的方法都有一些局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在提供一種地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，其為評(píng)估地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植嫉男路椒?，通過(guò)向井筒中注水并測(cè)量水溫的變化，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理分析地層熱導(dǎo)率和比熱容。
[0009]為此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估的單井筒方法:向單井筒中注滿水，測(cè)量不同時(shí)間下水溫隨井筒的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱導(dǎo)率和比熱容隨地層深度的分布。
[0010]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，向單井筒中注滿水后，井筒與地層之間沒(méi)有傳質(zhì)，而地層與井筒之間由于存在溫差而發(fā)生傳熱，導(dǎo)致井筒中的水的溫度發(fā)生變化，從而可以通過(guò)測(cè)量水溫并根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱物性。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估的雙井筒方法:以一定速率向外筒中注入水并從內(nèi)筒中抽出，測(cè)量不同時(shí)間下外筒中的水的溫度隨井筒的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱導(dǎo)率和比熱容隨地層深度的分布。
[0012]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，向外筒中注入水并從內(nèi)筒中抽出后,水從外筒自上而下流入底部再進(jìn)入內(nèi)筒進(jìn)而自下而上流動(dòng)直至流出井口，井筒與地層之間沒(méi)有傳質(zhì)，而地層與井筒之間由 于存在溫差而發(fā)生傳熱，導(dǎo)致井筒中的水的溫度發(fā)生變化，從而可以通過(guò)測(cè)量外筒中的水溫并根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱物性。
[0013]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述反演方法包括蒙特卡洛算法:(1)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值，將熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，確定地?zé)峋貙拥臒釋?dǎo)率；(2)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的比熱容的隨機(jī)數(shù)值，將確定的所述熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，確定地?zé)峋貙拥谋葻崛荩?3)在確定的熱導(dǎo)率和比熱容的左右鄰域范圍內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值，將熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，進(jìn)一步修正確定的所述熱導(dǎo)率和比熱容。
[0014]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述反演方法還包括基于拉丁超立方抽樣的蒙特卡洛算法:(I)把熱導(dǎo)率和比熱容兩個(gè)變量的取值范圍分別等概率地分成N個(gè)子區(qū)間，在每個(gè)變量子區(qū)間抽取一個(gè)隨機(jī)值，最后對(duì)熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)值進(jìn)行隨機(jī)組合并代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，確定地?zé)峋貙拥臒釋?dǎo)率；(2)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的比熱容的隨機(jī)數(shù)值，將確定的所述熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，確定地?zé)峋貙拥谋葻崛荩?3)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的熱導(dǎo)率的隨機(jī)數(shù)值，將確定的所述比熱容和熱導(dǎo)率的隨機(jī)數(shù)值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程，以依次計(jì)算出各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水溫，根據(jù)水溫在各個(gè)測(cè)定時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小的原則，進(jìn)一步修正確定的所述熱導(dǎo)率。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出采用向井筒中注入水并測(cè)量水溫變化的方式，利用井筒與地層的傳熱方程的精確解，能夠得到較準(zhǔn)確的原始地層熱導(dǎo)率和比熱容的分布，方便、經(jīng)濟(jì)、高效，并且對(duì)復(fù)雜的地層也同樣適用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為采用單井筒的地?zé)釂尉疽鈭D；
[0017]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用雙井筒的地?zé)釂尉疽鈭D；
[0018]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的利用雙井筒方法基于t=ld和t=2d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，t=ld, t=2d和t=3d三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及t=ld, t=2d, t=3d和t=4d四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)分析得到的地?zé)峋魃疃鹊貙訜釋?dǎo)率與真值的比較；
[0019]圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的利用雙井筒方法基于t=ld和t=2d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，t=ld, t=2d和t=3d三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及t=ld, t=2d,t=3d和t=4d四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)分析得到的地層井各深度地層比熱容與真值的比較；
[0020]圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的利用雙井筒方法基于t=ld和t=2d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，t=ld, t=2d和t=3d三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及t=ld, t=2d, t=3d和t=4d四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)分析得到的地層井各深度地層熱導(dǎo)率與真值的比較；[0021 ] 圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例二的利用雙井筒方法基于t=ld和t=2d兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，t=ld, t=2d和t=3d三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以及t=ld, t=2d, t=3d和t=4d四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)分析得到的地層井各深度地層比熱容與真值的比較。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0023]實(shí)施例一:本實(shí)施方式提供采用雙井筒的地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，利用蒙特卡洛算法反演地層熱導(dǎo)率和比熱容。
[0024]如圖2所示，地?zé)釂尉瑑?nèi)筒和外筒，向外筒中以一定速率注入等溫度水，水在外筒中從井口流向井底，再?gòu)木走M(jìn)入內(nèi)筒，最終在井口處流出。分別在外筒中各深度處放置熱電偶，并連接到數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)量外筒中各深度的水在不同時(shí)間的溫度。
[0025]由于沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可假定一口虛擬地?zé)釂尉?，井?000m，地溫梯度為
0.03K.ml-1，井口地層溫度為15°C，向外筒中以0.1m.s—1的速度注入5°C的水并從內(nèi)筒中抽出。根據(jù)地層熱物性及其他給定條件，結(jié)合水溫與地層熱物性的關(guān)系，計(jì)算外筒中的水在深度為1000m，2000m，3000m，4000m和5000m處在I天、2天、3天和4天這四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度。將計(jì)算得到的溫度值保留到一位小數(shù)并當(dāng)作實(shí)測(cè)值，根據(jù)得到的實(shí)測(cè)值分別反演各深度的地層熱物性。
[0026]具體反演步驟如下:(I)在[0.5，2.5]范圍內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)分別作為熱導(dǎo)率的數(shù)值，在[0，2]范圍內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)分別作為比熱容的數(shù)值。這里隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生可以利用乘同余法、混合同余法等各種算法。將熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值進(jìn)行組合后，代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“ λ ”和“cp”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“λ”值作為第一次計(jì)算時(shí)的等效熱導(dǎo)率值。(2)在[0，2]范圍內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)分別作為比熱容cp的數(shù)值，將比熱容的隨機(jī)數(shù)值和得到的等效熱導(dǎo)率值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“cp”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“cp”值作為第二次計(jì)算時(shí)的等效比熱容值。(3)將上述步驟中得到的“ λ ”和“cp”值分別在左右鄰域0.2范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，將熱導(dǎo)率和比熱容的隨機(jī)數(shù)值進(jìn)行組合后，代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“ λ ”和“cp”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“ λ ”和“cp”值作為熱導(dǎo)率和比熱容的最終值。
[0027]圖3顯示了基于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，三個(gè)時(shí)間點(diǎn)和四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各深度地層熱導(dǎo)率與真值的比較，計(jì)算得到的熱導(dǎo)率的相對(duì)誤差基本在5%以內(nèi)。圖4顯示了基于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，三個(gè)時(shí)間點(diǎn)和四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各深度地層比熱容與真值的比較，計(jì)算得到的體積比熱容的相對(duì)誤差基本在10%以內(nèi)。
[0028]實(shí)施例二:本實(shí)施方式提供采用雙井筒的地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，利用基于拉丁超立方抽樣的蒙特卡洛算法反演地層熱導(dǎo)率和比熱容。
[0029]如圖2所示，地?zé)釂尉瑑?nèi)筒和外筒，向外筒中以一定速率注入等溫度水，水在外筒中從井口流向井底，再?gòu)木走M(jìn)入內(nèi)筒，最終在井口處流出。分別在外筒中各深度處放置熱電偶，并連接到數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)量外筒中各深度的水在不同時(shí)間的溫度。
[0030]由于沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可假定一口虛擬地?zé)釂尉?，井?000m，地溫梯度為
0.03K.π-1，井口地層溫度為15°C，向外筒中以0.1m.s—1的速度注入5°C的水并從內(nèi)筒中抽出。根據(jù)地層熱物性及其他給定條件，結(jié)合水溫與地層熱物性的關(guān)系，計(jì)算外筒中的水在深度為1000m，2000m，3000m，4000m和5000m處在I天、2天、3天和4天這四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度。將計(jì)算得到的溫度值保留到一位小數(shù)并當(dāng)作實(shí)測(cè)值，根據(jù)得到的實(shí)測(cè)值分別反演各深度的地層熱物性。
[0031]具體反演步驟如下:(I)假定熱導(dǎo)率和比熱容的變化范圍為[0.5，2.5]和[0，2]，將[0.5，2.5]和[0，2]分別等概率地分成若干個(gè)等間隔的子區(qū)間，在每個(gè)子區(qū)間中僅產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)值，從而得到若干個(gè)熱導(dǎo)率λ和比熱容cp的隨機(jī)數(shù)值，將兩者進(jìn)行隨機(jī)組合后，代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“ λ ”和“Cp”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“ λ ”值作為熱導(dǎo)率值。(2)在[0，2]范圍內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)分別作為比熱容Cp的數(shù)值，將比熱容的隨機(jī)數(shù)值和得到的熱導(dǎo)率值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“cp”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“cp”值作為比熱容值。(3)在[0.5，2.5]范圍內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)分別作為熱導(dǎo)率λ的數(shù)值，將熱導(dǎo)率的隨機(jī)數(shù)值和得到的比熱容值代入水溫與地層熱物性的關(guān)系方程精確解計(jì)算水溫，從中選取一組最適合的“ λ ”，使得此時(shí)計(jì)算得到的各時(shí)間點(diǎn)的水溫與實(shí)驗(yàn)值的均方根誤差最小，將這組中的“ λ ”值作為熱導(dǎo)率修正值。
[0032]圖5顯示了基于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，三個(gè)時(shí)間點(diǎn)和四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各深度地層熱導(dǎo)率與真值的比較，計(jì)算得到的熱導(dǎo)率的相對(duì)誤差基本在5%以內(nèi)。圖6顯示了基于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，三個(gè)時(shí)間點(diǎn)和四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各深度地層比熱容與真值的比較，計(jì)算得到的體積比熱容的相對(duì)誤差基本在10%以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，其特征在于:向地?zé)峋仓凶⑷胨?，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)間下水溫隨井筒深度的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演得出地層熱導(dǎo)率、比熱容隨地層深度的分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，其特征在于: 地?zé)峋卜譃閱尉埠碗p井筒兩種類型，單井筒和雙井筒對(duì)應(yīng)的方法分別為單井筒方法和雙井筒方法； 單井筒方法:向單井筒中注滿水，測(cè)量不同時(shí)間下水溫隨井筒的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱導(dǎo)率和比熱容隨地層深度的分布； 雙井筒方法:以一定速率向外筒中注入水并從內(nèi)筒中抽出，測(cè)量不同時(shí)間下外筒中的水的溫度隨井筒的分布，根據(jù)井筒與地層的傳熱原理反演地層的熱導(dǎo)率和比熱容隨地層深度的分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)釂尉貙訜嵛镄苑植荚u(píng)估方法，其特征在于:反演熱物性可以采用蒙特卡洛算法、無(wú)約束優(yōu)化算法、遺傳算法或這幾種算法的混合算法。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103884738SQ201410137109
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】程文龍, 王昌龍, 年永樂(lè), 李同同 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)