采用声波的实时完井监测转让专利
申请号 : CN200880118069.7
文献号 : CN101878351B
文献日 : 2014-01-08
发明人 : A·V·巴库林
申请人 : 国际壳牌研究有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于监测穿过井眼中的井下设备的流体流的方法,包括:a)在设备中的流体中提供声学管波;
b)在声学管波穿过设备中的流体之后测量所述声学管波;和c)通过测量声学信号的衰减来评价设备的渗透率,
其中,设备是井下可渗透设备,并且,步骤c)还包括通过在管波穿过设备时检测管波中的衰减的减少或速度损失的减少中的至少之一来确定设备至少部分被封堵。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,步骤c)还包括测量声学信号的速度的变化。
3.根据权利要求1所述的方法,还包括响应于设备至少部分被封堵的确定来调整井眼中的流体的性能。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,设备选自包括砂筛、砾石填充筛、绕线筛、具有完全或部分穿孔的中心管和设置在其上面的过滤介质的筛、和穿孔的套管的组。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,设备是砾石填充设备,并且,在步骤c)中进行的测量指示砾石填充过程的性能。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,通过使用在井眼中布置的多个传感器进行步骤b)中的测量。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,传感器被永久布置于井眼中。
8.根据权利要求6所述的方法,其中,传感器是光纤传感器。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,设备是砂筛,以及传感器被设置于砂筛的外面。
10.根据权利要求1所述的方法,其中,设备是井下可渗透设备,并且步骤c)还包括通过检测穿过设备的快管波在低频上减慢但在高频上加速来确定设备不被封堵。
11.根据权利要求1所述的方法,步骤c)还包括通过检测具有相对高的衰减程度的频带并将所述频带的频率与不同的测量中的具有相对高的衰减程度的频带的频率相比较来确定设备的相对渗透率的步骤。
12.根据权利要求1所述的方法,其中,设备是井下可渗透设备,并且步骤c)还包括通过测量快波并检测所述快波的相对强的衰减来确定设备不被封堵。
13.根据权利要求1所述的方法,其中,设备是井下可渗透设备,并且步骤c)还包括通过检测具有降低的振幅和速度的慢管波来确定设备不被封堵。
14.一种用于从含烃地层生产碳氢化合物的方法,包括通过井下可渗透设备生产碳氢化合物,并且通过使用如权利要求1所述的方法监测穿过设备的流。
说明书 :
采用声波的实时完井监测
个的全部公开作为参考。
技术领域
背景技术
生产阶段形成显明对照。砂筛堵塞、不充分的充填、筛子中的“热斑”的发展、环形填塞的失稳、细料迁移、近井筒损伤、窜流、差异衰竭、区域化、压实代表仅基于几个永久的压力和温度计极难解读的挑战的典型的列表。可通过生产测井来识别许多问题,但这成本昂贵并且
不是实时的。置于砂面上的永久的压力和温度传感器可提供用于诊断完井问题的关键信
息,并且,服务业正在开发使得这些感测在将来可行的工具。但是,由于表征保持不被我们的数据约束的复杂的完井和储层的参数的数量众多,因此这些新的压力和温度数据不可能
导致以上问题的明确识别。
能不佳的另一储层级情况。另一井筒级解释建议井生产率由于所谓的“kh”产物的损失而
随时间下降。这里,k和h相应地为储层渗透率和厚度。虽然流动损害的确切机制仍存在
争议,但是差异衰竭模型认为出现该损失主要是由于制造厚度的减小。类似地,渗透率的降低是另一替代性的解释,尽管该减小量(85~90%)与实验室测量不一致。现有的很少的
来自井的数据可支持这些情况中的任一种,从而确认该问题是受到约束的。为了区分这些
相当不同的情况,需要可明确地表征制造系统的各部件的各尺度的更多的井下数据。
可行的方案,因此对于砂子控制存在另外的侧重点。储层和井眼之间的砂子控制介质的存
在引入了附加的成本、复杂性并且需要适当的管理。目标是对于储层的寿命足够耐用以控
制砂子制造的方案,从而避免损害和对于任何干涉的需要。为了跟上不易于出现问题的砂
子控制系统,必须首先理解现有问题的根本原因。一旦问题被完全理解,那么智能的、即时的干涉或补救可变为可能。深水井装置(砂筛等)和干涉的高成本可证明存在在其它的环
境中不经济的智能监测工具的合理性。另外,监测工具优选需要在服役寿命内持续。
发明内容
波;b)在声学管波穿过设备中的流体之后测量该声学管波;和c)通过测量声学信号的衰减
来评价设备的 渗透率。声学信号的速度的变化也可被测量。
附加的传感器上接收的信号互关联以获得如同信号从所述第一接收器的位置上的源发射
的有效响应的步骤。
衰减来确定设备不被封堵;或通过检测具有降低的振幅和速度的已转变成复杂波包的慢管
波来确定设备不被封堵。该方法还可包括通过检测具有相对高的衰减程度的频带并将所述
频带的频率与不同的测量中的具有相对高的衰减程度的频带的频率相比较来确定设备的
相对渗透率的步骤。
备的流。本发明包括通过提供评价在砂筛和砾石填充设备中出现的渗透率的变化以及通过
使用声波评价单独的穿孔的能力实时监测完井的系统。这是允许监测结构完整性(静态变
形)的诸如在美国专利第6854327号中公开的其它井内监测方法的补充。
测和适当的诊断,使得可以在问题失控之前传输适当的处理(重做)。永久的监测还可用作
保证昂贵的完井和砂子控制设备及井眼本身的附加的保证。另外,诸如这里描述的方法可
传输新数据流,这些数据流可增强其它的砂筛和完井问题 的理解并最终有助于适当地解
决许多“井性能不佳”问题。
的恢复的方法,其中,该方法包括实时声学监测完井的稳定性和/或渗透率。本发明的其
它实施例包括在描述监测砂筛完井的稳定性的同时从含烃地层生产碳氢化合物的方法,其
中,该方法包括通过在生产过程中使用声学模型来实时声学监测完井。
中的流体以有利于所描述的操作。本方法的其它实施例可包括产生实时声学监测模型;通
过使用声学管波监测井筒以监测井筒的变化;根据维护或增强操作中的生产渗透率的需要
连续更新模型并在实时的基础上连续调整流体的性能。
附图说明
好地理解本发明。
以任何方式限制本发明的概念或所附的权利要求的广度或范围。而是,向本领域技术人员
提供附图和详细的描述以示出本发明的概念并使得他们能够理解并利用这些发明的概念。 具体实施方式
控制完井中的传感器设置。作为例子,本发明可被用于穿透包括生产性地层的地下区域的
井筒。井筒可包括已用水泥粘合的套管。套管可具有允许井筒的内部和生产性地层之间的
流体连通的多个穿孔。本领域技术人员已知,诸如砂控制完井设备的井工具可位于要被砾
石填充的生产性地层相邻的套管内。
以提供必要的过滤。可以以任何已知的方式(例如,激光切割、喷水切割和许多其它的方
法)制造过滤介质。砂筛需要具有足够小的开口以限制砂砾石流动,常具有60~120目的
范围的间隙,但可以使用其它的尺寸。筛子元件可被称为筛子、砂筛或砾石填充筛。许多一般的筛子类型包括筛子部件包围的从穿孔的基管或 中心管偏移筛子部件的隔板。隔板在
筛子部件和基管之间提供流体流动环。对于本领域技术人员来说,各种类型的筛子是公知
的。注意,将在以下的描述中讨论其它类型的筛子。并且,可以理解,例如割缝管子的其它类型的中心管的使用仍在本发明的范围内。另外,一些筛具有沿它们的长度或其一部分没
有被穿孔的中心管,以便以各种方式或出于其它的原因提供流体的路由。
率和渗透率的变化。
体柱的活塞式运动并且主导波传播。当地层剪切速度如在不可渗透地层中那样比流体速度
(“快速地层”)大时,管波被完全捕获-在不可渗透地层中不衰减的模式。当管波遇到诸
如可渗透区域30时,由于在地层和井筒之间存在流体连通,因此它慢下来并且衰减。该连
通导致地层内的泄漏的慢毕奥(Biot)波的形式的能量损失。模型预测,在低频下,随着流
体流动性(渗透率/粘度)的增加,管波速度将降低并且衰减将增加。这些预测已在实验
室中得到确认并且成为从有线线路测井估计原位渗透率的“直接”和连续技术的基础。泥
饼的存在限制流体连通并且使得管波特征对于地层渗透率不敏感。在有限的硬泥饼的情况
下,井眼和地层中的流体压力变得完成无关;管波不经受衰减并且慢下来并以与井被不可
渗透地层包围的情况相同的方式传播。
型来模拟渗透率的变化的影响时,可以看出,由于该层和半空间之间的管波速度的不匹配,因此存在一些反射。模拟中的层渗透率的增加导致管波反射率的急剧增加, 特别是在低
频。反射率的增加是由于流体连通的增加;更大的可渗透地层导致层内的管波速度的更大
的降低,因此,导致控制反射的性能的更大的对比。如果流体连通被(例如,硬泥饼)终止,那么所有响应衰弱到与不可渗透的弹性的情况对应的黑色曲线。这强调,当存在流体连通
时,管波特征仅受到影响的事实。对于部分流体连通,响应会落于弹性不可渗透的和相应的畅喷的多孔弹性的方案之间。
存在流体连通,那么观察到速度降低和衰减。类似地,在反射配置中,增加的流体连通导致更大的反射。在下面的部分中,我们示出这些原理对于具有砂筛完井的下套管的完成的井
眼的应用。
22的连通通道。在裸眼完井中,不存在套管和穿孔,并且,地层流体直接通过砾石填充和砂筛与井眼连通。砂筛和砾石填充防止储油砂层迁移到井筒中以及保持井筒周围的储层的结
构。
通将改变储层流体流入井眼中。
括但不限于砂筛和穿孔的套管的井下可渗透设备是否允许期望的流动水平或者部分或完
全被封堵。只有放置足够的传感器以提供必要的分辨率,本系统和方法就可被用于定位和
量化井下可渗透设备的封堵程度。我们还发现,本系统和技术 可被用于监测诸如砾石填充过程的流体流动的速度和模式改变的动态系统。
筛完井中,存在多个多孔弹性层(穿孔的套管、地层、砂砾石和砂筛)和它们之间的多个多
孔弹性分界面;c)砂砾石和砂筛与储油岩石大大不同,原因是它们是非常可渗透的(渗透
率>100达西);并且砂砾石具有非常低的剪切速度(<100m/s)。
这些模拟模型和砂筛完井之间的关键区别如下:油管、钻杆和套管是完全不可渗透的,而砂筛、砂砾石和套管是高度可渗透的,并且,在一般的情况下,是对于流动开放的;并且环带填充有没有剪切刚度的流体,而砂筛完井中的砂砾石可能具有一些小的剪切刚度。
波反射的强度。通过在模拟前后以约300~3000Hz的频率实施管波反射测井,可以评价
沿穿孔的间隔的水力压裂的质量。第二种技术即“液压阻抗测试”包括用非常低频率管波
(<10Hz)周期性向模拟井发出脉冲并且观察反射信号的各种特征的变化以估计穿孔的套
管后面的水力压裂的参数和断开时间。在第一种技术中,在紧接着压裂的井筒中放置源和
接收器,因此,高频反射可分辨几米的单独垂直间隔的流动性能。在第二种技术中,从井口发送和接收信号,结果是只能记录非常低的频率。因此,该技术具有非常差的垂直分辨率,并且只能评价整个压裂的平均性能。尽管如此,两种技术都示出使用管波以感测由水力压
裂的断开导致的井筒和地层之间的流体连通的增加。
的部分。通过使用塑性定心夹具将内部管(砂筛14)定位于内部。源32和多个传感器34
位于内部管内。
包括。
距的二十四个水听器传感器记录得到的波场。为了减少背景(建筑物/空调)噪声,使用
多个记录的堆叠。
方案1 开 闭
方案2 闭 闭
方案3 开 开
方案4 闭 开
么实验室装置可被简化为该四层模型:1)流体;2)弹性内部管(筛子);3)流体;4)弹性外
部管(套管)。这种具有自由外部边界(空气)的两个同心弹性管的模型支持低频上的四
个轴对称波模型:
频率等于1000Hz的四层模型的示例性的压力波震图表示(a)最大的到达是与硬外部管有
关的快管波(TO-1030m/s),(b)较小的到达是与较软的内部管有关的慢管波(TI-270m/s),
(c)板波具有甚至更小的振幅(PO-5410m/s、PI-1630m/s)。快管波在不存在筛子的情况下
最轻微地衰减,在封闭孔中稍微衰减,并在开口孔中被基本上吸收。通过使用有限差代码计算示例性的四层模型的合成的波震图。在这些模型中,发现主导的到达是与外部管(TO)有
关的快管波,而由内部管(TI)支撑的慢管波较弱,并且,只有用明显的放大才看到板波。发现板波速度几乎与频率无关;快管波是稍微分散的,而慢管波经受适度的分散。如果在套管外面增加地层,那么外部板波(PO)消失。如果套管和筛子之间的环带填充有砂子,那么仅
存在与完井的复合结构相关的一个管波和一个板波。因此,两个管波的存在可被用作没有
砾石填充(或流体化砾石填充)的完井的诊断。以下检查砾石填充完井中的管波的性能。
成的均匀的管。由于诸如中心管或狭槽中的穿孔的微元件具有与管厚度相同的尺寸,因
此,不能充分证明采用有效的介质理论。尽管如此,数据建议具有几米的波长的管波将筛子“视”为有效管,并且证明使用用于理解对管波特征的渗透率变化的效果的简单模型是有效的。因此,通过使用具有平行的缝隙或断面阵列的简单的分析模型估计实验筛子的径向渗
透率。
化,并且有时被称为“封闭孔”。
缆中的固有的衰减,它经受一些振幅损失。当添加不可渗透的内部管(封闭孔)时,附加的
慢管波出现,而由于PVC中的高吸收性快波开始稍微更多地被衰减。通过具有狭槽的内部
管,流体跨过PVC筛子连通,这导致两个管波的相对强的衰减。如这里使用的那样,与关注的完井或区域相比,术语“相对强的衰减”指的是比由穿过已知相对不可渗透的介质的快波经受的衰减大的衰减。介质过滤可将快波和慢波分开,并且揭示在5ft管段之间的接头上
存在各波的多次反射。我们发现,慢波在没有筛子时不存在,在具有封闭孔的筛子中存在,并且在开口孔中更多地衰减且更慢。因此,我们断定,快管波和慢管波的大大增加的衰减均是开口的筛(“开口孔”)的一级诊断,而降低的衰减是封堵的筛(“封闭孔”)的特性。
行该分析。用于合成波震图的缓慢频谱表明快管波主导该频谱。对于封闭孔,清楚地看到
慢管波,使得加宽的峰值向着表示分散的低频。在存在开口的狭槽的情况下,快波经受在介质频率范围(350~700Hz)中特别异常的强的衰减。
完全不存在。在封堵的筛子中,快波携带接近源的主导频率的300~600Hz的频率范围中
的最大能量,而较低和较高的频率携带较少的能量。
过使用反射率方法在实验装置中对于封闭和开口孔计算的合成压力波震图表明,在开口孔
中,慢管波转变成具有相当低的速度和“楼梯”图案的相当复杂的能量束。在多孔筛子材料中,连通相位中的断点的线具有接近慢P波速度的斜率。增加不可渗透的内部管的直径可
望导致第二管波速度从350m/s减慢到280m/s。虽然对于封闭孔慢速度很好地匹配,但是,
对于开口孔,速度比预定的高。这最可能是用于制造空管和带狭槽的筛子的PVC的弹性性
能的变化的结果。用我们的实验装置的多孔弹性参数的最佳的估计对于玻璃装置计算合成
的波震图。如实验结果的情况那样,在封闭孔的情况下,我们观察到两个管波,快管波主导振幅。在存在具有开口的狭槽的筛子中,两个波均经受较强的变化。快管波经受适度的衰
减和波形的变化。慢管波转变成具有弱的振幅的复杂的波包而不是较慢的速度和非常强的
特性。通过连接相位在波包内改变的点,我们得到多孔筛子材料中的传播的慢Biot波的速
度的近似值(~80m/s)。由于源的中心频率(500Hz)远比临界Biot频率(30Hz)高,因此,
与多孔筛子中的慢Biot波的干涉可能是复杂的波包的原因。
适度的衰减。
下较低,而在高频下经受轻微的加速。示图的比较确认实验和模型之间的定量一致性:在
两种情况下,快波均在保持其较高和较低频率的同时在中间频率范围上表现异常的振幅降
低。该振幅降低不能被源微波谱解释,并因此应归因于由通过开槽的多孔筛子的流体移动
导致的异常衰减。
高。由于衰减的带将处于非常高或无限的频率上,因此封堵的筛子(0达西)不表现异常衰
减,因此这也与实验数据一致。因此,快管波的具有异常衰减的带的中心频率可被用作筛子渗透率的附加的牢靠的诊断。我们应注意,在两种情况下,源的中心频率优选远比筛子的临界Biot频率高。它仍不能解释为什么在开口孔中模型不是预测强烈的分散而是预测慢管
波的不寻常的特性和强烈的降速,而实验表明慢波更简单并且具有与低频率上的快波可比
较的振幅。
射。
射。在更高的频率上,快波反射变得更明显。模型表示在性质上类似的行为。首先,快波在开口部分中变得更加衰减。其次,虽然我们观察到快-快和慢-慢反射,但后者的振幅明显
更大,这与实验数据一致。如上所述,观察到模型低估开口孔中的慢波的振幅。
率的变化。第二,相同的入射的慢波产生反射回到开口部分中的强的反射,该反射很显然比来自管接头的更早的反射大。第三,在更高的频率上,我们观察到来自源的直接的快波,该快波在开口部分中快速衰减,但在封闭部分中转变成经受较少衰减的快波。尽管如此,通过来自后面的慢管波的转变产生更强的向右行进的快波。
有这些具有非零的剪切刚度。
波,从而使其与没有砾石填充的完井的情况类似。
动而移动而是保持“锁定”在适当的位置上。这表示颗粒-颗粒接触和非零剪切刚度。当
流动使砾石填充失稳并且不再出现颗粒-颗粒接触时,在流体化砂子的情况下,可出现第
二方案。在以下的讨论中,我们关注于砾石填充被模型化为多孔弹性Biot介质层时的“正
常的”第一方案。剪切波速度保持最不确定的参数。对于初始的模型化,我们取~120~
150m/s的原位估计和~10~20m/s的实验室估计之间的70m/s的值。
体化时,那么出现与完井没有砾石填充的情况类似的第二(慢)管波。因此,第二慢管波的
存在是完井具有流体化砂子或没有砂子的诊断。板波具有急剧下降的速度,并且由于完井
层的高度对比的弹性性能被强烈地分散。
少的衰减。相反,开口孔允许 筛子内的流体柱和砂子中的孔隙流体之间的流体连通。结果,我们甚至在非常短的偏移上观察到强烈的分散和速度的降低以及明显的衰减。因此,与开
口孔测井方法类似,我们可通过检查速度和衰减区分筛子的可渗透和不可渗透部分。速度
的减慢和高的衰减是开口部分的简单诊断,而加速和很少或没有衰减是封堵部分的特性。 [0089] 反射特征
反射的管波是由于跨过分界面的速度和衰减的差异。有意思的是,在模型中,来自封闭-开口分界面的反射波非常大(约35%),而来自开放-封堵分界面的反射波较弱(约5%)。
尝试使用1D有效波数方法以洞察反射-透射过程的物理本质。虽然该方法对于多孔弹性
介质和径向不均匀弹性介质被证明是有效的,但是其对于径向分层多孔弹性介质的有效性
还没有被建立。尽管如此,通过使用1D假定,有效波数方法预测封堵-开放和开放-封堵
分界面上的反射系数应大小相同而符号相反,这与有限差模型矛盾。
室中使用的工具对于井下布置是不适用的;井下布置需要源和接收器被保护并且不阻挡流
动。
与“管上”光纤波震图相比较验证该思想。在两组测量之间观察到良好的一致性。
实时完井监测(RTCM)优选使用离散的位置上的管圆周周围的平均值,但在时间上以细微
的间隔采样。
下向基准和感测线圈行进。两个信号均在FRM上反射并向后向分离器行进,在那里它们干
涉,并且,通过使用第二纤维引导,光向后路由到光电子设备。
点是作为与线圈共位于井下的分离器/组合器。与基准线圈相比,在呼吸运动中在管中引
起的应变导致感测线圈中的光路长度的动态变化。光路长度的变化导致干涉测量信号的偏
移,该偏移又可与管的呼吸运动的幅度和频率有关。
在实验室环境中是可管理的,但对于现场布置是不实际的。
管之间的一些空间,因此Michelson干涉仪的基准线圈对于现场布置不是优选的。选择的
Michelson干涉仪系统对于期望与最高可能的性能和噪声消除组合的高度的灵活性的当前
的实验室测试是理想的。但是,在给定其机械印迹的条件下,从总体布置的观点看,这是次优的。
感测线圈,并且,信号脉冲可在信号干涉之前在它们在电缆在行进时拾取噪声。与基准线
圈相比,在呼吸运动期间在管中引起的应变导致感测线圈中的光路长度的动态变化。光
路长度的变化导致干涉测量信号的偏移,该偏移又可与管的呼吸运动的幅度和频率有关。
Fabry-Perot系统的益处是较小的井下印迹。缺点是可能通过连通传感器与表面光学电子
设备的电缆拾取的可能更高的噪声。
的随机的杂质,光纤的各段具有特有的散射轮廓。Blue ROSE系统使用光纤中的Rayleigh
指纹作为Fabry-Perot反射器。该系统可沿纤维长度在任意位置动态使用不同的Rayleigh
指纹。Blue ROSE使电势与单个电缆中的RTCI和RTCM系统组合,这对于完全的井下监测会
是期望的。
装于完井附近的油管外侧的光纤传感器的阵列,并且在井流动的同时实时执行声学测量。 [0112] 有效的源
虚拟源 方法的1D方案。在互关联例如第一接收器上的记录和剩余的传感器上的记录之
后,能够获得如同实际上从位于第一接收器的位置上的“有效源”发射信号的响应。由于我们直接测量有效源中的入射信号,因此我们获知源特征并可将其整形为期望的形状。这是
重要的,原因是可允许两个重要的步骤-重叠用相同的源特征整形的多个记录以提高信噪
比,以及,不仅评价速度而且评价管波信号的衰减。因此,在一些实施例中,使用虚拟源方法以允许在没有井下有源源的情况下实现RTCM的完全无源方案。
此可被视为构成用于其实际的优选模式。但是,鉴于本公开,本领域技术人员应当理解,在公开的特定的实施例中,在不背离本发明的范围的条件下,可提出许多的变化,并且仍获得类似或相似的结果。
性。在当前的实验中使用的玻璃装置是一种改善,但是,由于声学上较慢并且衰减的PVC筛子以及由于污染数据的强烈的接头间反射,因此它仍是次优的。虽然处理部分有助于应对
这些寄生反射,但是这种设计的接头不是现场情况的代表并因此不应被避免。优选使用具
有铝外部管和铝筛子的铝装置,以在仍保持可在实验室中操作的轻的重量的同时达到钢管
一般具有的快速的声学速度。为了避免接头间反射,建议减少管部分的数量并使管悬离吊
索。
s的期望速度和~700Hz的中心频率的砾石填充完井,波长为约~1m,并且优选0.5m或更
小的间隔。在没有砾石填充的完井中,或者,如果流体化被怀疑,那么期望~300m/s的慢管波速度,并且期望更小的采样间隔。当然,如果可以以令人满意的方式使用更低的频率,那么采样可增加,但是,较低的频率趋于产生较低的空间分辨率。
的套管变形的现象的指示。如果观察到慢的环状管波模式,那么本发明的一些实施例因此
包括向可与环带声学耦合并推断胶结层不完整的流体透射声学信号。
砾石填充完井的监测,而且可被应用于其它的完井和诸如恢复操作的井下应用。并且,可以包括相互组合的各种方法和实时声学监测方法的实施例,以产生公开的方法、装置和实施
例的变型。
可用的。公开和未公开的实施例意图不在于限制或约束由申请人构想的本发明的范围或适
应性,而是,遵照专利法,申请人要完全保护在以下的权利要求的等同物的范围或广度内的所有这些修改和改进。