發(fā)明人：howardk.schmidt

本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01280060653.8、申請(qǐng)日為2012年12月7日、發(fā)明名稱為“超分辨率地層流體成像”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

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)：

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。

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。目前所知，只能獲得井間間距的1/10th到1/20th的空間分辨率。

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，因此提供較佳的成像分辨率，有利的是在經(jīng)過關(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，因此無法提前確定使用em勘探來勘測(cè)儲(chǔ)層的最優(yōu)頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

簡而言之，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。

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。

附圖說明

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。

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。

圖3a是用于電磁勘探的電磁能量發(fā)射器的示意圖。

圖3b是用于電磁勘探的電磁能量接收器的示意圖。

圖4是方波電磁能量信號(hào)的功率譜圖。

圖5a是用于電磁勘探的脈沖發(fā)生器的示意電路圖。

圖5b是由圖5a的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的示例波形。

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。

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。

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。

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。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例井間電磁勘探的示意圖。

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。

圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。

圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。

圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一井間電磁勘探的示意圖。

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

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(duì)比。

使用高功率脈沖電磁場源、全時(shí)域信號(hào)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(hào)速度(群速)而不是傳導(dǎo)圖(conductivitymap)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(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(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(gè)百分點(diǎn)?？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(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100^th分辨率(即，之前可得的5到10倍)的em速度圖。

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)射穿過儲(chǔ)層，并在穿過儲(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。

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)。

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(hào)能夠穿過關(guān)注區(qū)域。

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)的示例讀數(shù)。如圖2所示的對(duì)于給定發(fā)射器和接收器位置組的多個(gè)傳輸測(cè)量可以進(jìn)行累加或求平均以改善信噪比?？梢圆捎枚鄠€(gè)發(fā)射器(例如，陣列)以及多個(gè)接收器(例如，陣列)。通常，無論是獨(dú)立的或組成陣列的發(fā)射器和接收器，都被置于多個(gè)位置處來采樣儲(chǔ)層的不同部分并從不同方向上采樣每個(gè)部分。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(hào)。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。

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(gè)，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(dòng)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(hào)或脈沖來提供發(fā)射脈沖的能量。一旦啟動(dòng)，高壓電源48通過限流電阻器52向能量存儲(chǔ)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(gè)環(huán)或回路)放電。小電流回路45或感測(cè)線圈被供電來捕獲由44所產(chǎn)生的小部分電磁場；感測(cè)線圈45與用來向記錄設(shè)備或儀器提供啟動(dòng)信號(hào)的同軸電纜56連接。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是也可以使用其他形式的發(fā)射器。

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(gè)，其安裝至由地表處的em測(cè)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(dòng)至接收鉆井中的數(shù)個(gè)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(chǔ)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(chǔ)到計(jì)算機(jī)60并可用于進(jìn)一步的處理和計(jì)算機(jī)化分析。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是其它形式的接收器也可使用。

根據(jù)本發(fā)明，一般地，高能量em能量且長度和上升時(shí)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(hào)。該em脈沖是有利的，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生和控制相對(duì)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(gè)(點(diǎn)包絡(luò)線78)脈沖和重復(fù)(f0處及其奇次諧波的箭頭80)脈沖的代表功率譜。

由于在油氣儲(chǔ)層中鉆井的實(shí)際間隔通常橫跨幾百到幾千米，另外由于這種儲(chǔ)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(hào)穿過儲(chǔ)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(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。由于鹽水的存在、濃度和分布在勘測(cè)之前通常是未知的，因此用于測(cè)量儲(chǔ)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。

本發(fā)明所提供的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠動(dòng)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f0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(hào)功率處成像儲(chǔ)層時(shí)獲取最佳可能的分辨率。采用本發(fā)明的信號(hào)形狀的另一有用特征是所發(fā)射能量的頻譜在0hz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(jià)值。

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(chǔ)層的傳播時(shí)間的某些時(shí)間變化特征并且其具有足夠的能量來允許在儲(chǔ)層地點(diǎn)處的檢測(cè)。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(dòng)。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(shí)到的是當(dāng)然可以使用合適的電路或源。

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(shí)，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(hào)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10ohm負(fù)載的具有10-ns時(shí)間寬度和35kv電壓幅度的單個(gè)輸出脈沖88的繪圖。加壓的火花隙提供了1ns的上升時(shí)間。

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(chǔ)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(chǔ)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。

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(duì)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(shí)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(shí)提供了更低的維護(hù)費(fèi)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(chǔ)，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。

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(shí)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(jì)數(shù)器來記錄信號(hào)到達(dá)時(shí)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(shí)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(cè)線圈”。探測(cè)線圈通常具有許多導(dǎo)體回路來提升靈敏度。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)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(cè)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(hào)。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(cè)線圈。

空間和時(shí)間過采樣

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(cè)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。

現(xiàn)成例子來自油田中的感應(yīng)測(cè)井。感應(yīng)測(cè)井通常在1mhz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(shí)際上，通過恰當(dāng)?shù)姆囱荽a和地層的層級(jí)模型的響應(yīng)，通常實(shí)現(xiàn)約1米或以下的有用分辨率。

通過本發(fā)明，認(rèn)為高達(dá)井間間隔1/20^th的井間em成像分辨率是實(shí)際和期望的目標(biāo)。實(shí)際上，在發(fā)表文獻(xiàn)中，以約200hz頻率發(fā)射連續(xù)波信號(hào)的信號(hào)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200hzem信號(hào)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(duì)比em探測(cè)的波長，成像分辨率更加取決于采樣頻率。

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1米或以下測(cè)量間隔，特別是在流體注入和生產(chǎn)的地點(diǎn)附近。

數(shù)據(jù)處理

層析成像反演將在現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)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(huì)議“afastandrigorous2.5dinversionalgorithmforcross-wellelectromagneticdata”，segextendedabstracts，2005annualmtg.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(forwardsimulator)，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(gè)反演步驟解決，lu分解方法被用于同時(shí)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(duì)正演解引入了大量限制(簡化)以便加速計(jì)算。

在美國專利申請(qǐng)第5,373,443號(hào)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(dòng)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(cè)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(duì)之間的信號(hào)速度從所述波場推測(cè)。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。

與之對(duì)比，本發(fā)明采用脈沖寬帶em源，接收的波形以時(shí)域記錄。直接測(cè)量每個(gè)源-接收器配對(duì)的傳播時(shí)間。傅里葉變換之后可選用于將接收到的信號(hào)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(shí)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(shí)改善反演速度圖像-這是因?yàn)樵谏渚€追蹤模型中不同頻率分量具有不同的傳播時(shí)間和衍射路徑。

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comsolmulti-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。

根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)是檢測(cè)和監(jiān)控所注入流體的路徑。因此，作為另一改進(jìn)/實(shí)施例，采用流線模型來估計(jì)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?yàn)楸举|(zhì)上是一維問題，所以它們可以單獨(dú)求解，極大提升了計(jì)算效率。由于每個(gè)流線單獨(dú)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。

使用初始地質(zhì)模型和預(yù)注em數(shù)據(jù)，可單獨(dú)計(jì)算沿著每個(gè)流線所注入的流體的影響(在em場和傳播中變化)的前演解。可之后確定最符合所觀測(cè)到的em場和在流體注入一段時(shí)間之后所觀測(cè)到的傳播時(shí)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(shí)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em傳輸?shù)母鞣N矩形網(wǎng)格。

對(duì)比度成像

磁對(duì)比增強(qiáng)對(duì)所注入的流體提供了獨(dú)特的信號(hào)。油、氣、水、鹽水和儲(chǔ)層巖石通常具有基本為0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(chǔ)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?；虍?dāng)進(jìn)入儲(chǔ)層中時(shí)能隨之反應(yīng)以產(chǎn)生磁性材料的非磁性化學(xué)品來實(shí)施。

em信號(hào)的群速單純地取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率：v＝(εμ)^-1/2。因此，通過以具有μ＝10的流體注入到具有20％孔隙度的地層內(nèi)，則該儲(chǔ)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(shí)移是采用現(xiàn)代波形記錄儀器可容易地檢測(cè)到的。

磁修正地質(zhì)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)極化&松弛

本發(fā)明的另一方面涉及在注入了流體之后觀測(cè)在儲(chǔ)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(chǔ)層修正區(qū)域。em能量被轉(zhuǎn)換且以靜磁場的形式存儲(chǔ)在儲(chǔ)層的修正部分內(nèi)。當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，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(chǔ)層(在另一鉆井內(nèi)或在地表處)檢測(cè)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(cè)到。

如源區(qū)域中所觀測(cè)到的一樣，存儲(chǔ)在修正區(qū)域內(nèi)的總磁能量可從其b-場強(qiáng)和時(shí)間衰減特征推測(cè)。類似地，遠(yuǎn)端接收器將在與磁化儲(chǔ)層體積的rlc時(shí)間常量相對(duì)應(yīng)的頻率上觀測(cè)到顯著提升的b-場強(qiáng)度。在某種意義上，修正的儲(chǔ)層體積起到磁天線的作用，將假(apparent)em源移近儲(chǔ)層。給出儲(chǔ)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(hào)強(qiáng)度。檢測(cè)的該侵入異常是本發(fā)明的另一重要方面。

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(fèi)更長時(shí)間來完全磁化，滲入的深度可以從磁化該區(qū)域的時(shí)間以及如上所述的當(dāng)源關(guān)閉時(shí)衰減時(shí)間的長度來推測(cè)。

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(chǔ)層體積。地面源極其便利，因?yàn)槠淇梢匀我庖苿?dòng)，還因?yàn)槿コ算@井幾何約束，允許更大和更強(qiáng)的em源。

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(gè)tx位置122的每個(gè)處產(chǎn)生，em脈沖在第二鉆井128中所示出的多個(gè)rx位置126的每個(gè)處記錄。該觀測(cè)的矩陣被用作確定在每個(gè)tx-rx配對(duì)之間作為頻率函數(shù)的傳播時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度。反演在包括名義平行鉆井配對(duì)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(chǔ)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(hào)衰減，所以作為頻率函數(shù)的信號(hào)幅度(或功率)表明了沿著連接給定tx-rx位置配對(duì)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(duì)注入前沿的進(jìn)展和/或作為時(shí)間函數(shù)的修正的儲(chǔ)層容積進(jìn)行成像。

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(diǎn)是確定從源到接收器的一些可檢測(cè)的信號(hào)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(cè)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(hào)和分辨率(最短波長)。

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1ns)。提供到放電和下游組件(例如，線圈天線)的功率通過多個(gè)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(hào)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(cè)到的可檢測(cè)的信號(hào)上計(jì)算出合理范圍。具有約-100db探測(cè)范圍的構(gòu)造為探測(cè)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(cè)到的最大頻率。放電電壓與同軸電壓的平方成比例。對(duì)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1.5mw；100kv產(chǎn)生約0.15gw。根據(jù)不同頻率和在以下表格i、ii和iii中詳細(xì)列出的介質(zhì)的平均傳導(dǎo)性的范圍對(duì)比功率的曲線圖分別在圖9a、圖9b和圖9c中描述。

各種材料的標(biāo)稱傳導(dǎo)性包括：無水石膏(圖9a)：0.00005s/m；侵油巖石(圖9b)：0.005s/m；鹽水侵巖石(圖9c)：0.5s/m。海水的標(biāo)稱傳導(dǎo)性是5s/m。圖9a、圖9b和圖9c分別示出了采用在1km外可檢測(cè)到的頻率操作的無水石膏、油侵巖石和鹽水侵巖石的表格。

在普遍出現(xiàn)的情況下(圖10)，即，使用注入水或維持壓強(qiáng)的外圍水平注入井和在儲(chǔ)層中其他地方的垂直生產(chǎn)井的組合，在注入井132中的emtx陣列130和在生產(chǎn)井136中的rx陣列134如圖10所示般的部署。不同于非平面樣本量，操作細(xì)節(jié)與結(jié)合上面圖8所描述的類似。圖10的配置對(duì)于將在儲(chǔ)層中產(chǎn)生地層140時(shí)油水界面線或流體前沿138隨著時(shí)間的進(jìn)展可視化有用。該信息對(duì)于優(yōu)化儲(chǔ)層管理非常重要。

圖11所示的配置提供了相比圖8和圖10的配置而改進(jìn)的油水界面(或注水前沿)的規(guī)劃，特別是對(duì)檢測(cè)在超k區(qū)域或如148處所示的斷裂走廊出現(xiàn)的注水前沿異常有用。在地面152上排列的emtx陣列150和在水平注入井156中的rx陣列154如圖11所示部署。垂直生產(chǎn)井在160示出。生產(chǎn)從兩個(gè)儲(chǔ)層162和164進(jìn)行，每個(gè)分別具有如162a和164a處所示的流體前沿。圖11中所示的配置可以方便地在具有多重生產(chǎn)范圍的給定油氣儲(chǔ)層的情況下實(shí)施。

圖12所示的另一配置可以在只有如水平注入井170所表明的一個(gè)鉆井可用于采集數(shù)據(jù)的情況下使用。井170包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器172并且井170位于圖12平面圖中所示的油氣儲(chǔ)層174中。長寬度脈沖從井170中的發(fā)射器發(fā)射并被用作磁化所注入的流體和/或修正的儲(chǔ)層體積，沿著包括發(fā)射器172的鉆井170觀測(cè)到磁瞬態(tài)。高通量異常(超k或斷裂走廊175)可以由此通過預(yù)估存儲(chǔ)在沿著鉆井的如177所示的多個(gè)站點(diǎn)的每個(gè)站點(diǎn)的總磁能量來從單個(gè)鉆井170檢測(cè)?；谠擃A(yù)估的流體前沿在178處示意性示出。具有更多注入流體或更大修正儲(chǔ)層體積的區(qū)域顯示更大存儲(chǔ)的能量，因此更高的剩余場強(qiáng)和更長的衰減時(shí)間。如果第二遠(yuǎn)端鉆井如176處所示般的可用，rx站點(diǎn)也可以被部署且采集井間em數(shù)據(jù)，類似于上面圖8、圖10和圖11所描述的配置。

本發(fā)明的簡化小規(guī)模版本使用脈沖em源和回路天線作為源和接收器在現(xiàn)場進(jìn)行了測(cè)試。設(shè)備被配置為類似于圖11的配置的模擬的井地配置，使用由負(fù)載水的磁性納米顆粒所組成的小的約0.5米的虛擬件成功演示了自由傳播的tem波的傳播時(shí)移。em源包括50英尺長充電到約1000伏的50歐姆同軸電纜，1mm火花隙和直徑10cm的與200pf電容器并聯(lián)的3-環(huán)回路天線。這產(chǎn)生了具有上升時(shí)間約2ns的50ns的方波脈沖，與200mhz正弦波疊加。接收器包括單純的3-環(huán)回路天線，波形使用4ghz數(shù)字示波器來記錄。在em信號(hào)從埋設(shè)源穿過未修正的沉積物質(zhì)、水侵虛擬件和磁性納米流體侵虛擬件時(shí)，信號(hào)延遲(傳播時(shí)間)橫跨地面來映射。使用未修正的沉積物作為基線(“之前”信號(hào))，符合水和磁性納米流體的介電和磁特性的傳播時(shí)延被容易地觀測(cè)到。結(jié)果在圖13中描述。

從前面的實(shí)施例中可見本發(fā)明在儲(chǔ)層環(huán)境中直接使所注入流體的路徑可視化，同時(shí)產(chǎn)生在儲(chǔ)層中的巖石和流體特征以及分布的更高分辨率的圖像。

本發(fā)明因此產(chǎn)生在油氣儲(chǔ)層中的關(guān)于空間分布和流體構(gòu)成的信息。由于巖石和油氣通常都具有低介電常數(shù)、低磁通量和低導(dǎo)電性，因此em傳播速率相對(duì)較高且井間或井地em傳播時(shí)間相對(duì)較短。因此，具有高介電常數(shù)的水如果含鹽則具有高傳導(dǎo)性，在傳播時(shí)間圖中產(chǎn)生高對(duì)比度?？梢圆捎帽景l(fā)明來成像用來置換油氣而注入的水，在一段注入之后，可以映射高通量路徑和通過該注入的水的反演。在水已經(jīng)注入很長一段時(shí)間的情況下，難以區(qū)分所注入的水和原始(原生)水。如所述的，通過使用磁性顆粒來“標(biāo)簽化”新注入的水，通過新注入的水帶給被侵入?yún)^(qū)域磁通量這樣的方式，可以區(qū)分新水和舊水。這是因?yàn)閷?dǎo)磁率降低em傳播速度，從而在儲(chǔ)層區(qū)域的em速度圖像中得到傳播時(shí)間對(duì)比。

本發(fā)明已被充分描述，因此本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以復(fù)現(xiàn)并獲取在本文中所提及的結(jié)果。但是，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)此處的發(fā)明能夠進(jìn)行未在此處所要求的修改、應(yīng)用這些修改到確定的結(jié)構(gòu)或其制造過程中、要求所附權(quán)利要求中的請(qǐng)求主題；這類結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)由本發(fā)明的范圍所覆蓋。

應(yīng)當(dāng)注意到和認(rèn)識(shí)到的是存在不脫離如所附權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)以上詳細(xì)描述的本發(fā)明做出改進(jìn)和修改。