超分辨率地層流體成像的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)是基于申請(qǐng)日為2012年12月7日、申請(qǐng)?zhí)枮?012800606538(國(guó)際申請(qǐng)?zhí)?為PCT/US2012/068367)、發(fā)明創(chuàng)造名稱為"超分辨率地層流體成像"的中國(guó)專利申請(qǐng)的分案 申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及對(duì)地下結(jié)構(gòu)特別是油氣儲(chǔ)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(cè)EM信號(hào)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(gè)源和接收器位置。數(shù)據(jù)讀數(shù)被用作產(chǎn)生信號(hào)的合成時(shí)域變形，推測(cè)的傳輸時(shí)間與源/接 收器幾何結(jié)構(gòu)一起用于通過(guò)使用射線追蹤反演來(lái)建立井間平面的2D傳導(dǎo)矩陣或圖像。
[0004] 在油氣儲(chǔ)層中總是存在導(dǎo)電性鹽水，鹽水的存在使得EM信號(hào)與其頻率成比例的 衰減。鹽水的存在、約1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?yàn)椋篴)其處于擴(kuò)散區(qū)域，b)其具有非常大的波長(zhǎng)。目前所知，只 能獲得井間間距的l/l〇th到l/20th的空間分辨率。
[0005] 由于在油氣儲(chǔ)層內(nèi)鉆井的實(shí)際間隔通?？缭綆装俚綆浊浊疫@種儲(chǔ)層通常與導(dǎo) 電性鹽水相關(guān)聯(lián)，所以橫跨儲(chǔ)層會(huì)遭遇顯著的EM信號(hào)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(zhǎng)，因此提供較佳的成像 分辨率，有利的是在經(jīng)過(guò)關(guān)注儲(chǔ)層區(qū)域之后仍然提供可檢測(cè)信號(hào)的最高頻率上操作。然而， 鹽水的存在、濃度和分布在勘測(cè)之前通常是未知的，因此無(wú)法提前確定使用EM勘探來(lái)勘測(cè) 儲(chǔ)層的最優(yōu)頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明提供了新的改進(jìn)的用于對(duì)油氣地下儲(chǔ)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(guò)油氣地下儲(chǔ)層的電磁能量脈沖。所述設(shè)備中的多個(gè) 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(shí)間的測(cè)量值。所述設(shè)備還包括處理 器，其對(duì)來(lái)自多個(gè)電磁傳感器的到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)的測(cè)量值進(jìn)行分析以形成油氣地下儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層的電磁成像方法。發(fā)射穿過(guò)油氣地下 儲(chǔ)層的電磁能量脈沖，在多個(gè)電磁傳感器處形成所發(fā)射的脈沖的到達(dá)時(shí)間的測(cè)量值。對(duì)來(lái) 自多個(gè)電磁傳感器的到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)的測(cè)量值進(jìn)行分析以形成油氣地下儲(chǔ)層的地下特征的 表征，之后形成油氣地下儲(chǔ)層的地下特征的表征的圖像。
【附圖說(shuō)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(hào)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(shí)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(duì)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(cè)試結(jié)果的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 作為引言，本發(fā)明涉及對(duì)地下結(jié)構(gòu)特別是油氣儲(chǔ)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(shí)域數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明還可包括空間過(guò)采樣和超分辨率數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)改善圖像分辨率。 本發(fā)明還可使用磁性材料來(lái)提供包含注入流體的區(qū)域的圖像對(duì)比。
[0026] 使用高功率脈沖電磁場(chǎng)源、全時(shí)域信號(hào)采集、現(xiàn)代低噪聲磁場(chǎng)傳感器、空間過(guò)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(lái)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(hào)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(lái)，根據(jù)本發(fā)明的 脈沖源有助于簡(jiǎn)單的到達(dá)時(shí)間采集方案且容易支撐兆瓦特發(fā)射器。如將要描述的，簡(jiǎn)單的 電流回路發(fā)射天線可以由Blumlein、Marx發(fā)生器、簡(jiǎn)單的火花隙、脈沖形成LC網(wǎng)絡(luò)或其他 源來(lái)從快速放電能量源（電容器）驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生需要的電流和功率等級(jí)。更高的功率等級(jí)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(chǎng)傳感器（例如磁通門、SQUID、探測(cè)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(shí)質(zhì)改善。由于油氣儲(chǔ)層流體結(jié)構(gòu)和組成 只緩慢變化，所以時(shí)間可用于執(zhí)行具有相對(duì)小的發(fā)射器/接收器定位階梯的這種測(cè)量。取 決于所執(zhí)行的過(guò)采樣的量，這種"過(guò)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(lái)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(gè)百分點(diǎn)。可以以天然或先前注入的水為背景來(lái)成像該 流體。在注水環(huán)境中，這有助于確定注入流體的動(dòng)態(tài)流動(dòng)路徑。因此，本發(fā)明提供了針對(duì)天 然流體和注入流體的具有井間間隔最高IOOth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(chǔ)層中或附近的一個(gè)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(hào)被發(fā)射穿過(guò)儲(chǔ)層，并在穿過(guò)儲(chǔ)層 的地下地層之后被一個(gè)或多個(gè)其他EM能量接收器記錄。在經(jīng)過(guò)儲(chǔ)層之后所記錄的EM信號(hào) 與所發(fā)射的信號(hào)在取決于中間介質(zhì)（例如，儲(chǔ)層）的特性以及這些特性的空間變化的特征 (例如，時(shí)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^(guò)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(hào)能夠穿過(guò)關(guān)注區(qū)域。
[0030] 如圖2所示，多數(shù)EM能量測(cè)量采用發(fā)射器和接收器位置的不同組合來(lái)執(zhí)行以便從 不同方向采樣儲(chǔ)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(guò)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(hào)傳播時(shí)間的函數(shù)的