專利名稱：鉆井熱特性測(cè)量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119對(duì)于序號(hào)為60/657,207以及以MasafumiFukuhara和Kasumi Fujii作為發(fā)明人名義于2005年2月28日申請(qǐng)的臨時(shí)申請(qǐng)要求享有優(yōu)先權(quán)，這里引用其全部?jī)?nèi)容從所有方面可供參考。
本發(fā)明涉及通過鉆井(downhole)動(dòng)態(tài)熱測(cè)量來(lái)獲得地下結(jié)構(gòu)的熱特性的方法和系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及使用現(xiàn)場(chǎng)(in situ)冷卻和/或加熱裝置來(lái)擾動(dòng)(disturb)各種地層構(gòu)造(formation，下稱地層)(諸如油/氣承載結(jié)構(gòu)、水飽和地層、氣水合物(gas hydrate)承載巖石和沉積物)的局部鉆井溫度，并且測(cè)量其熱響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)描述該地層特征。
背景技術(shù)：
當(dāng)溫度和/或壓力狀態(tài)跨過平衡邊界線時(shí)，可以分離或形成或另外影響諸如氣水合物(gas hydrate)之類的某些自然出現(xiàn)的資源。對(duì)于這種狀況的參數(shù)的理解對(duì)有效勘探并開發(fā)資源，例如作為能源的氣水合物(gas hydrate)和重油是非常重要的。在此，熱測(cè)量不僅是靜態(tài)而且是動(dòng)態(tài)描述地下結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵部分之一。
估算諸如導(dǎo)熱性、熱容量和散熱性之類的地下地層熱特性的常規(guī)方法包括被動(dòng)監(jiān)測(cè)在數(shù)個(gè)地下深度位置上的溫度，并且根據(jù)諸如穩(wěn)定熱流或鉆井和/或泥循環(huán)的熱擾動(dòng)的衰減之類的假設(shè)解釋所收集的數(shù)據(jù)。在常規(guī)系統(tǒng)中，測(cè)量由生產(chǎn)測(cè)試或鉆井/循環(huán)操作引起的溫度變化。由于根據(jù)幾種假設(shè)估算熱特性，在上述被動(dòng)測(cè)量方法估出的地下結(jié)構(gòu)的估算熱特性中存在很大的不確定性。
另一方面，在實(shí)驗(yàn)室中可以采取主動(dòng)熱特性測(cè)量，并且商業(yè)上可得到用于這些目的的設(shè)備。然而，將基于實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)測(cè)量方法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)地下地層測(cè)量具有許多技術(shù)和后勤困難。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述背景技術(shù)的原因，以及地下地層的熱特性的區(qū)域中公知的其它因素，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)一種用于根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該在具有不同熱特性的區(qū)域中變化的原理，主動(dòng)測(cè)量地下熱特性的方法和系統(tǒng)。在此，與用于描述地下地層特征的目的的被動(dòng)監(jiān)測(cè)相反，本發(fā)明考慮使用主動(dòng)加熱和/或冷卻，即，通過將已知的信號(hào)發(fā)送到地下地層中引起的已知溫度擾動(dòng)或激勵(lì)。
申請(qǐng)人認(rèn)為這里公開的動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法可以特別應(yīng)用到地下結(jié)構(gòu)(諸如氣水合物和/或重油承載地層)的現(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)測(cè)量中。
申請(qǐng)人還認(rèn)為熱特性的現(xiàn)場(chǎng)特征是描述地下地層特征的關(guān)鍵部分之一。
申請(qǐng)人還認(rèn)為獲得鉆井結(jié)構(gòu)(諸如碳?xì)浠衔锍休d地層和沉積物)的熱特性對(duì)設(shè)計(jì)用于處理地下結(jié)構(gòu)來(lái)開發(fā)并生產(chǎn)自然儲(chǔ)藏的有效方法和系統(tǒng)是非常有益的。
本發(fā)明考慮動(dòng)態(tài)測(cè)量溫度的時(shí)間變化，即，熱響應(yīng)在時(shí)間上不是靜態(tài)的，從而獲得用于例如巖石、沉積物和本發(fā)明考慮的其它物質(zhì)中具有諸如石油、天然氣、甲烷水合物、水之類沉積物的其它地下地層的地層分析的靜態(tài)熱特性。在此，在根據(jù)本發(fā)明的論述可以實(shí)現(xiàn)的其它方面中，描述地層特征可以包括根據(jù)地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性來(lái)提供一個(gè)或多個(gè)答案，例如，相關(guān)于地層中的碳?xì)浠衔锏囊粋€(gè)或多個(gè)特性的答案(用于碳?xì)浠衔锏臒崽幚?；地層的一個(gè)或多個(gè)物理參數(shù)，用于描述該地層特征。永久監(jiān)測(cè)通過該地層中的作業(yè)井。
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)將加熱器和/或制冷器以及一個(gè)或多個(gè)傳感器配置得以局部和/或分散方式布置來(lái)獲得調(diào)查中的地下地層的局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化，從而有利地使用算法關(guān)系來(lái)獲得熱特性，諸如導(dǎo)熱性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有光纖傳感器的分散溫度傳感(DTS)鉆井系統(tǒng)可以用作借助局部制冷設(shè)備和/或加熱設(shè)備的溫度傳感器，其中制冷設(shè)備包括珀?duì)柼?Peltier)設(shè)備，加熱設(shè)備包括通過(例如)將電流施加到光纖傳感器周圍的金屬和/或塑料或相似的管上來(lái)配置的電阻加熱器。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，該配置可以包括局部精確溫度計(jì)(諸如，電阻溫度檢測(cè)器(RTD)或光纖布拉格點(diǎn)陣傳感器)，并且適當(dāng)配置電源來(lái)提供制冷和加熱設(shè)備的溫度控制。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，獲得地下地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性來(lái)描述地層特征的一個(gè)方法包括產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)，根據(jù)溫度的時(shí)間變化獲得地層的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)地層的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得地層的熱特性。根據(jù)本發(fā)明的其它方面，用于獲得地下地層的熱特性的系統(tǒng)包括加熱和制冷設(shè)備中的至少一個(gè)，其配置用于在預(yù)定的關(guān)注區(qū)域產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)，和傳感系統(tǒng)，其配置用于獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)鉆井溫度的時(shí)間變化獲得該地層的熱特性。
將在下面的描述中闡明本發(fā)明的附加優(yōu)點(diǎn)和新特征，或者可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀這里的材料或?qū)嵺`本發(fā)明習(xí)得?？梢酝ㄟ^在所附權(quán)利要求中敘述的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
附圖標(biāo)記附圖表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，并且是說(shuō)明書的一部分。附圖與下面的描述一起說(shuō)明并解釋本發(fā)明的原理。


圖1是其中可以有助于使用本發(fā)明的一個(gè)示例性前后關(guān)系的示意圖，并且以曲線圖描述具有不同熱特性的層的預(yù)期的溫度狀況，即，熱響應(yīng)。
圖2A和2B分別是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的傳感器電纜(cable)-加熱器配置的頂視圖和截面圖的示意表示。
圖3是圖2A和圖2B的實(shí)驗(yàn)性配置的模型的示意性描述，其中層1表示具有配置作為加熱器的塑料護(hù)套的傳感器電纜；層2表示沙；層3表示空氣；并且L表示電纜長(zhǎng)度。
圖4是對(duì)于圖3的模型所計(jì)算的熱阻-放射距離的曲線圖。
圖5是表示當(dāng)加熱時(shí)在沙中溫度增加的曲線圖。
圖6以曲線圖表示視在導(dǎo)熱性相對(duì)于時(shí)間的初步估算結(jié)果?；疑摼€指示沙中的、估算的視在導(dǎo)熱性。
圖7是井的橫截面的熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)模擬。傳感器電纜位于作為支承管(support pipe)的外殼之外。
圖8是表示關(guān)于直徑30cm的井的地層導(dǎo)熱性(λf)對(duì)溫度的影響的曲線圖。
圖9是表示關(guān)于直徑10cm的井的地層導(dǎo)熱性(λf)對(duì)溫度的影響的曲線圖。
圖10是表示關(guān)于具有金屬外殼的井的地層導(dǎo)熱性(λf)對(duì)溫度的影響的曲線圖。
圖11是表示關(guān)于具有塑料外殼的井的地層導(dǎo)熱性(λf)對(duì)溫度的影響的曲線圖。
圖12A到12D是根據(jù)本發(fā)明的用于獲得地下結(jié)構(gòu)的熱特性的示例性系統(tǒng)的示意性表示。
在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相似的，但不是必須完全相同的元件。雖然本發(fā)明可以容許各種修改并具有另外的形式，但是通過附圖中的實(shí)例的方式顯示了特定的實(shí)施例，并且在這里對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解的是本發(fā)明不意欲限制為所公開的特定形式。而是，本發(fā)明涵蓋落入所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍中的所有修改、等效物和替代物。
具體實(shí)施例方式
下面描述本發(fā)明的說(shuō)明性的實(shí)施例和各個(gè)方面。為了更加明確，在說(shuō)明書中不描述實(shí)際實(shí)施的所有特征。當(dāng)然，應(yīng)該理解在任何實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須做出大量實(shí)施具體決定來(lái)實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如遵從系統(tǒng)相關(guān)或商業(yè)相關(guān)約定，并且特定的目的在不同實(shí)施中相互不同。此外，應(yīng)該理解的是這些開發(fā)努力可能是復(fù)雜并耗時(shí)，但是盡管如此仍然是使本領(lǐng)域技術(shù)人員從這里公開受益的例行程序。
包括諸如氣水合物和重油之類的碳?xì)浠衔锏牡貙恿黧w的穩(wěn)定性對(duì)于壓力(P)和溫度(T)的變化很敏感。對(duì)此，當(dāng)壓力和/或溫度狀態(tài)跨過平衡邊界線時(shí)分離或形成氣水合物。如上所述，用于獲得地下地層的熱特性(諸如導(dǎo)熱性、散熱性、熱容量)的常規(guī)方法包括在實(shí)驗(yàn)室中的核心分析和在數(shù)個(gè)地下位置的被動(dòng)溫度測(cè)量。對(duì)于水合物承載區(qū)域的核心分析，例如，經(jīng)常很難在實(shí)驗(yàn)室保持與鉆井中發(fā)現(xiàn)的條件相同的條件。根據(jù)由于水合物的動(dòng)態(tài)分離/形成過程、在不同壓力下的加壓系數(shù)差的核心條件獲得數(shù)據(jù)，并且有時(shí)根據(jù)來(lái)自特定深度間隔的遺漏的核心采樣來(lái)獲得數(shù)據(jù)。對(duì)于在數(shù)個(gè)地下位置的被動(dòng)測(cè)量，在特定的假設(shè)下(增加不確定性)，諸如穩(wěn)定熱流和由鉆井和/或泥循環(huán)產(chǎn)生的熱擾動(dòng)的衰減來(lái)解釋所獲得的數(shù)據(jù)。此外，沒有詳細(xì)展開在水合物承載區(qū)域中的熱測(cè)量。
本發(fā)明考慮使用用于通過利用熱源(諸如制冷器和/或加熱器設(shè)備)主動(dòng)產(chǎn)生已知熱擾動(dòng)，并且監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域鉆井的熱響應(yīng)，即隨時(shí)間變化的溫度數(shù)據(jù)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)估算地層熱特性的熱特性測(cè)量方法。在此，本發(fā)明考慮測(cè)量地層區(qū)域或其中在預(yù)定時(shí)間周期引起熱擾動(dòng)的區(qū)域的溫度，使得可以確定地層的熱響應(yīng)。在確定對(duì)于溫度測(cè)量的期望或必要時(shí)間周期的其它因素中，溫度測(cè)量的預(yù)定時(shí)間周期取決于周圍條件，諸如地層特性、鉆井流體、使用的系統(tǒng)的配置等。此外，溫度測(cè)量的預(yù)定的時(shí)間周期包括地層的主動(dòng)加熱或制冷時(shí)間周期和在主動(dòng)加熱或制冷時(shí)間周期之后的合適時(shí)間周期，使得對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)說(shuō)獲得足夠多的地層熱響應(yīng)數(shù)據(jù)。
熱擾動(dòng)可以是局部即在關(guān)注局部區(qū)域的加熱或制冷，以便保持調(diào)查中的地層的區(qū)域中的熱擾動(dòng)。本發(fā)明考慮主動(dòng)加熱或制冷地層，以便在預(yù)定的時(shí)間周期在其中引起動(dòng)態(tài)熱擾動(dòng)，使得可以確定該地層的熱響應(yīng)。在確定對(duì)于加熱或制冷的足夠時(shí)間周期的其它因素中，主動(dòng)加熱或制冷關(guān)注區(qū)域的預(yù)定時(shí)間周期取決于周圍條件，諸如地層特性、鉆井流體、系統(tǒng)的配置等。
雖然如在這里描述的本測(cè)量方法的一個(gè)實(shí)施例基于用于測(cè)量熱特性的熱絲(hot wire)方法，但是其它方法也在本發(fā)明的范圍中。在此，本發(fā)明額外考慮測(cè)量碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法和系統(tǒng)，其中該方法和系統(tǒng)不使用熱絲方法中的對(duì)稱和/或無(wú)限長(zhǎng)度的假設(shè)。
根據(jù)使用無(wú)限線加熱器和在無(wú)限介質(zhì)中的加熱器上的溫度傳感器的溫度衰減，獲得周圍介質(zhì)的熱特性。在方程1中顯示了導(dǎo)熱性和溫度的關(guān)系。例如根據(jù)時(shí)間對(duì)數(shù)(ln(t))和溫度增加(T-T0)的斜率，獲得導(dǎo)熱性λ。
T-T0≅q4πλ[ln(t)-γ-ln(r2/4α)]...(1)]]>其中q＝單位長(zhǎng)度的輸入功率γ＝歐拉常數(shù)r＝距離α＝散熱性上面的方法可應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)鉆井測(cè)量條件中。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)10包括細(xì)長(zhǎng)的加熱器12(諸如金屬和/或塑料或其它相似的管20)，和溫度傳感器陣列14，例如位于地下地層16的井18中的光纖傳感器。諸如金屬和/或塑料管的管20可以配置在傳感器14周圍，用于保護(hù)傳感器并用于諸如分散加熱(將在下面詳細(xì)描述)之類的其它目的。在圖1中以曲線圖顯示了在加熱和制冷期間溫度衰減現(xiàn)象，即熱響應(yīng)中的預(yù)期的差異，其中地層的熱特性不同。這里，導(dǎo)熱性測(cè)量用于描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可以考慮其它熱特性測(cè)量，諸如散熱性和熱容量。
典型地，在鉆井中，鉆井流體應(yīng)該直接圍繞加熱器20和傳感器14的介質(zhì)。然而本發(fā)明考慮最小化流體對(duì)流影響，作為第一級(jí)近似值。
在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，光纖傳感器電纜可以用作圖1所示的配置的分散溫度傳感(DTS)系統(tǒng)。DTS系統(tǒng)在油田領(lǐng)域中是公知的，并且不在這里詳細(xì)描述。該DTS配置提供沿井(圖1標(biāo)注)的連續(xù)溫度測(cè)量。有利地，光纖傳感器電纜其配置可以用于提供溫度信息，并且通過將電流施加給管，電纜的金屬和/或塑料或其它相似的管可以配置作為加熱器。
申請(qǐng)人進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)評(píng)估本發(fā)明的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法和系統(tǒng)。圖2A和2B分別顯示用于本發(fā)明模型中的傳感器電纜布局設(shè)計(jì)的頂視圖和截面圖。柱狀容器22裝有沙24，并且傳感器電纜12位于容器22的中心并埋在沙24中。通過實(shí)驗(yàn)獲得沙的導(dǎo)熱性。傳感器電纜12包含在光纖傳感器14和鋼管20中，該鋼管具有管外的塑料護(hù)套。如圖2A所示，用于加熱管20的輸入功率施加到管20兩端。
預(yù)先使用市場(chǎng)上可得到的設(shè)備測(cè)量沙的導(dǎo)熱性，并且發(fā)現(xiàn)它為0.22瓦/米/開[W/m/K]。
圖3顯示圖2A和2B的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)布局，其中假設(shè)在放射方向上，電纜的均勻?qū)泳哂兴芰献o(hù)套(層1)、沙(層2)和空氣(層3)。圖4顯示由下面的方程2表示的、所計(jì)算的熱阻，并且是與放射距離相關(guān)的曲線。假設(shè)在時(shí)間和放射距離中在熱傳輸期間，熱阻和方程1(∽1/λ)中的斜率具有定性上相似的趨勢(shì)。
R=ln(rr0)/(2πL·λ1),(r0<r≤r1)]]>=ln/(rr1)/(2πL·λ2)+ln(r1r0)/(2πL·λ1),(r1<r≤r2)]]>=ln(rr2)/(2πL·λ3)+ln(r1r0)/(2πL·λ1)+ln(r2r1)/(2πL·λ2),(r2<r<r3)]]>(2)圖5顯示使用4.7瓦/米[W/m]加熱期間測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)?？梢钥匆娪珊谏摼€指示的線性曲線。該相對(duì)時(shí)間的結(jié)果顯示出與圖4中的模擬的熱阻曲線-放射距離非常相似的響應(yīng)。使用移動(dòng)窗口按時(shí)間平滑數(shù)據(jù)，即多項(xiàng)式擬合，然后計(jì)算所獲得的dT/d(ln(t))(方程1中的斜率1/4/pi/λ)。獲得視在導(dǎo)熱性λ并在圖6中標(biāo)示。如圖6灰色虛線所示，從幾乎平坦的部分的值開始，導(dǎo)熱性估算為0.22W/m/K。模擬結(jié)果表明與預(yù)估算為0.22W/m/K的沙的導(dǎo)熱性有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
因此，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)布局和模擬，申請(qǐng)人通過使用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)獲得沙中的導(dǎo)熱性作為初步結(jié)果。
申請(qǐng)人還通過數(shù)字模擬將本發(fā)明的方法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)鉆井條件中來(lái)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)由放入井中的管/外殼支承的傳感器電纜來(lái)假設(shè)實(shí)際情況(圖7所示)。塑料護(hù)套覆蓋傳感器電纜。估算按照實(shí)際輸入功率的所需溫度增加(即用于估算地層熱特性所需的溫度增加)的測(cè)量持續(xù)時(shí)間。如上所述，用于主動(dòng)加熱的預(yù)定時(shí)間周期取決于數(shù)個(gè)因素。
表1顯示在數(shù)字模擬中使用的參數(shù)。圖7顯示在加熱后某時(shí)刻，具有加熱器的井的截面的溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬。圖8和9分別以曲線圖顯示在直徑30cm和10cm的井的加熱期間(在加熱器相對(duì)時(shí)間)的溫度增加(ΔT)。圖8和9的粉色線指示地層導(dǎo)熱性(λf)是3W/m/K，并且藍(lán)線指示導(dǎo)熱性是2W/m/K。紅線顯示相對(duì)增加{ΔT(＝3)-ΔT(λf＝2)/ΔT(λf＝3)}。由于熱量消耗涉及流體的容積，因此該結(jié)果建議優(yōu)選更小的井尺寸針對(duì)不同熱特性之間的不同溫度狀況。然而，甚至在具有10cm的直徑的鉆孔中，需要兩天以上來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度相對(duì)增加了10％。為了降低所需的測(cè)量時(shí)間，圖10和11顯示了用于關(guān)注管的材料的影響的模擬。圖10用于金屬制作的管，而圖11用于塑料管。在兩種情況中，井的直徑是18cm。在塑料管中在數(shù)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的10％的相對(duì)增加，而在金屬管中需要20小時(shí)。塑料管在井中用作隔熱器來(lái)有效將熱傳遞到地層中。通過使用塑料管，在測(cè)量鉆井環(huán)境中溫度變化(以及導(dǎo)熱性)的目的的方面加強(qiáng)了本發(fā)明技術(shù)。
根據(jù)一些假設(shè)的條件，大量的模擬驗(yàn)證了本方法對(duì)鉆井應(yīng)用的適用性。

表1用于數(shù)字模擬的參數(shù)申請(qǐng)人的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果確認(rèn)根據(jù)本發(fā)明的現(xiàn)場(chǎng)鉆井導(dǎo)熱性測(cè)量的適用性。當(dāng)評(píng)估諸如流體影向和合適的電纜以及加熱器設(shè)計(jì)之類的因素時(shí)，初步試驗(yàn)顯示出將本發(fā)明應(yīng)用到周圍介質(zhì)中的熱特性測(cè)量在約10％的可接受誤差范圍中。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，加熱設(shè)備可以包括使用在(例如)光纖傳感器周圍的電隔離金屬管的加熱器，用于通過將電流流入金屬管在表面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱。在此，金屬管可以用合適的電隔離材料，諸如塑料和玻璃作護(hù)套。例如，在其中地下地層中的目標(biāo)深度的局部加熱優(yōu)選或期望的狀態(tài)下，電流可以注入在目標(biāo)深度的、具有較高電阻的電隔離的金屬管(在圖12A中標(biāo)注)。在此，可以使用局部加熱所需的、具有合適電阻的管。通過使用用于管的不同材料可以實(shí)現(xiàn)管中的不同電阻率。另外，可以與具有可變電阻率的加熱管一起使用，或單獨(dú)使用不同的加熱器密度，例如在光纜周圍不同數(shù)量的繞線。
圖12A到12D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于地下地層的熱特性的動(dòng)態(tài)測(cè)量的一些實(shí)施例的示意性描述。圖12A描述具有分散溫度傳感(DTS)系統(tǒng)12的系統(tǒng)10，該系統(tǒng)具有配置在地下地層16中的光纖傳感器14和金屬管20，該地層16具有(例如)鉆井18中的鉆井流體。由于光纖傳感器14處于細(xì)金屬管20中，因此，通過金屬管20從表面發(fā)送脈沖型或AC/DC電流，金屬管20可以用作加熱或制冷設(shè)備。如圖12A到12D示意所示，可以提供合適的電子設(shè)備和處理和控制能力。在此，圖12A的配置提供沿井18和地層結(jié)構(gòu)16的預(yù)定部分改變的分散溫度變化。
圖12A的配置具有各種優(yōu)點(diǎn)，諸如使用可以建立井位的現(xiàn)有油田設(shè)備，而不需要額外的設(shè)備。所描述的配置在預(yù)定的區(qū)域或關(guān)注的區(qū)域保證均勻而且是分散發(fā)熱以及分散的溫度輸出，來(lái)確定其地層的熱特性。然而在某些情況中，根據(jù)特定需要，圖12A的實(shí)施例可能引起熱泄漏，或在地下地層的非目標(biāo)區(qū)域提供不必要的加熱。此外，由于深度分辨率中的限制或在DTS硬件中固有的空間敏感度，獲得的數(shù)據(jù)可以是分層區(qū)的平均響應(yīng)。
圖12B提供具有DTS系統(tǒng)12的系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)具有局部加熱器26來(lái)加熱地層16(具有井18)的所選擇的預(yù)定的區(qū)段。具有局部加熱設(shè)備的圖12B的實(shí)施例可以用于其中圖12A的分散加熱配置在井下不能產(chǎn)生足夠的溫度擾動(dòng)的情況中?？梢詮谋砻婊驈木?8中的電源設(shè)備發(fā)送電流。如在圖12A的實(shí)施例中所示，可以由傳感器14監(jiān)測(cè)沿井18的溫度。在圖12B的實(shí)施例中，局部加熱器26在一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)區(qū)域中有效工作，以在地層16中提供需要的或期望的熱量。在此，可以產(chǎn)生更多的選擇性和目標(biāo)溫度變化。圖12B描述了在所描述的實(shí)施例中需要的額外配置，包括足夠來(lái)涵蓋DTS空間分辨率的更長(zhǎng)的加熱器長(zhǎng)度。
圖12C描述了具有DTS系統(tǒng)12的一個(gè)系統(tǒng)10的另一實(shí)施例，其中該系統(tǒng)具有局部加熱器26，在該實(shí)施例中，裝有高精度溫度傳感器28。在圖12C的實(shí)施例中，如在上面的其他實(shí)施例中所討論的那樣，局部溫度傳感器28可以與傳感器電纜14和局部加熱設(shè)備26一起使用。在此，在其中DTS系統(tǒng)12不能得出溫度和/或深度的足夠高分辨率的情況中，可以使用圖12C的系統(tǒng)10，將一個(gè)或多個(gè)局部加熱器26和一個(gè)或多個(gè)局部溫度傳感器28(諸如光纖布拉格點(diǎn)陣(FBG)傳感器和電阻溫度檢測(cè)器(RTD)傳感器)結(jié)合來(lái)，從而按期望或需要提供合適的空間和/或溫度分辨率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用局部傳感器28以及傳感器電纜14可以監(jiān)測(cè)溫度變化。
如圖12C所述的局部加熱器可以用于在一個(gè)或多個(gè)關(guān)注預(yù)定區(qū)域保證有效的目標(biāo)加熱。在此，如圖12C的實(shí)施例所述，雖然除了圖12A描述的配置之外需要建立系統(tǒng)的配置，但是通過使用局部加熱器和傳感器可以獲得更高的深度分辨率。
圖12D描述用于動(dòng)態(tài)測(cè)量溫度的系統(tǒng)10的另一個(gè)實(shí)施例，其具有分散的金屬和/或塑料或其他相似管熱發(fā)生器20(例如，在一個(gè)或多個(gè)管中具有可變電阻率)，和配置在地層16的井18中的高精度溫度傳感器28。在圖12D的實(shí)施例中，在DTS系統(tǒng)不能提供溫度和/或深度的足夠高的分辨率的情況下，分散的加熱器，諸如電隔離金屬管熱發(fā)生器20可以用于具有局部高精度溫度傳感器28的配置中。在此，沿井18的深度的加熱器20可以配有局部溫度傳感器28，諸如FBG和/或RTD傳感器。如果期望或者需要，則諸如DTS系統(tǒng)中的帶電纜傳感器之類的傳感器(未示出)可以與圖12D中的系統(tǒng)10組合。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，可以使用井(諸如碳?xì)浠衔?、二氧化碳?或水承載井)中的主動(dòng)熱發(fā)生設(shè)備來(lái)獲得動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明考慮在甲烷水合物和重油承載地層中的應(yīng)用性。在這里使用的“重油”指的是粘性石油沉積物，諸如重油、瀝青砂、瀝青、油砂，其中對(duì)于開發(fā)和提取的目的需要或最好它們的熱特性知識(shí)。為了說(shuō)明的目的，在這里描述了使用熱發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生的熱擾動(dòng)/激勵(lì)的本發(fā)明的某些實(shí)施例；然而，本發(fā)明還考慮使用致冷器，例如珀?duì)柼驮O(shè)備來(lái)擾動(dòng)地下地層的溫度，用于描述地層特征的熱特性。在此，為了結(jié)構(gòu)勘探和/或開發(fā)，本發(fā)明考慮這里公開的方法和系統(tǒng)的寬的可應(yīng)用性，試圖涉及到現(xiàn)場(chǎng)描述地下結(jié)構(gòu)的熱特性的特征的范圍。
上面提供的描述僅用于說(shuō)明并描述本發(fā)明及其實(shí)施的某些實(shí)例。并不意在使其無(wú)遺漏的或?qū)⒈景l(fā)明限制在這里公開的精確形式。在上述論述中可以進(jìn)行許多修改和變型。
選擇并描述的優(yōu)選方面以便最佳說(shuō)明本發(fā)明及其實(shí)際應(yīng)用的原理。上面的描述意欲使本領(lǐng)域其他技術(shù)人員來(lái)按照各種實(shí)施例和各方面中最佳地利用本發(fā)明，并且使各種修改適合于所考慮的實(shí)際應(yīng)用。由下面的權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性，用來(lái)描述地層特征的方法，包括在關(guān)注的預(yù)定區(qū)域中產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)；根據(jù)關(guān)注區(qū)域的溫度的時(shí)間變化獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)；和根據(jù)地層的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得地層的熱特性。
2.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括在預(yù)定時(shí)間周期測(cè)量關(guān)注區(qū)域的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)包括主動(dòng)加熱關(guān)注區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)包括主動(dòng)制冷關(guān)注區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)包括主動(dòng)分散加熱或制冷關(guān)注的區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括通過定位一個(gè)或多個(gè)鉆井溫度傳感器獲得數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括通過鉆井分散傳感溫度變化獲得數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括通過鉆井局部傳感溫度變化獲得數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括鉆井傳感關(guān)注區(qū)域中的溫度變化，和熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化。
10.如權(quán)利要求9所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱特性包括將局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化提供到用于確定地層的導(dǎo)熱性的處理器。
11.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中獲得熱特性包括確定地層的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱性、散熱性和熱容量。
12.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，還包括通過根據(jù)地層的熱特性提供一個(gè)或多個(gè)答案結(jié)果來(lái)描述地層特征，該答案結(jié)果關(guān)于一個(gè)或多個(gè)用于碳?xì)浠衔锏臒崽幚淼牡貙又械奶細(xì)浠衔锏奶匦?；用于描述地層特征的地層的一個(gè)或多個(gè)物理參數(shù)；和監(jiān)測(cè)操作通過地層的井的參數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，還包括使用根據(jù)地層的熱響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得地層的熱特性的熱絲方法。
14.如權(quán)利要求1所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的方法，其中熱特性包括地層的導(dǎo)熱性。
15.一種獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性，用來(lái)描述地層特征的系統(tǒng)，包括加熱設(shè)備和制冷設(shè)備中的至少一個(gè)，其配置用于在關(guān)注的預(yù)定區(qū)域中產(chǎn)生鉆井熱擾動(dòng)；和傳感系統(tǒng)，其配置用于根據(jù)關(guān)注區(qū)域的溫度的時(shí)間變化獲得熱響應(yīng)數(shù)據(jù)并獲得地層的至少一個(gè)熱特性。
16.如權(quán)利要求15所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于鉆井的溫度傳感器和處理器，其配置用于根據(jù)局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化獲得地層的熱特性。
17.如權(quán)利要求16所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中地層的熱特性包括地層的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱性、散熱性和熱容量。
18.如權(quán)利要求16所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中加熱設(shè)備和制冷設(shè)備其中至少一個(gè)包括至少一個(gè)加熱器，其配置用于主動(dòng)分散加熱關(guān)注的預(yù)定區(qū)域，和加熱器，其配置用于主動(dòng)局部加熱關(guān)注的預(yù)定區(qū)域。
19.如權(quán)利要求16所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中溫度傳感器其配置用于鉆井分散傳感溫度變化。
20.如權(quán)利要求16所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中溫度傳感器其配置用于鉆井局部傳感溫度變化。
21.如權(quán)利要求15所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中加熱和制冷設(shè)備和傳感系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)分散溫度傳感(DTS)系統(tǒng)、電阻加熱器、光纖布拉格點(diǎn)陣傳感器和電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。
22.如權(quán)利要求21所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中電阻加熱器包括具有可變電阻的管，其配置用于鉆井局部加熱地層。
23.如權(quán)利要求21所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中電阻加熱器包括一個(gè)或多個(gè)塑料管和電隔離金屬管。
24.如權(quán)利要求21所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中加熱設(shè)備包括DTS系統(tǒng)的外管。
25.如權(quán)利要求15所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中傳感系統(tǒng)包括傳感器，其配置用于鉆井傳感關(guān)注的預(yù)定區(qū)域中的溫度變化，并且熱響應(yīng)數(shù)據(jù)包括局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化。
26.如權(quán)利要求25所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，還包括處理器，其配置用于根據(jù)局部溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間變化確定地層的導(dǎo)熱性。
27.如權(quán)利要求26所述的獲得碳?xì)浠衔锍休d地層的一個(gè)或多個(gè)熱特性的系統(tǒng)，其中處理器其配置用于確定甲烷水合物和重油承載地層中的至少一個(gè)的導(dǎo)熱性。
全文摘要
通過使用主動(dòng)加熱和/或制冷設(shè)備和溫度傳感器測(cè)量地下地層的現(xiàn)場(chǎng)溫度時(shí)間變化的方法和系統(tǒng)，用于通過獲得地層熱特性來(lái)描述碳?xì)浠衔锍休d地層特征。
文檔編號(hào)E21B36/00GK1828012SQ20061005149
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者福原政文, 藤井香澄, 森上陽(yáng)子 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格海外股份有限公司