使用电容式传感器进行多分量井眼电场测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于评价储油层和储气层的特性的装置和方法。更 具体地，本发明涉及用于低频电磁场的三轴场传感器。

背景技术

能源行业的各个环节需要遥感技术来完成例如评估石油储量枯 竭、优化石油开采以及监测在地下注入和储存的水、气体和二氧化碳 等任务。

众所周知，以可靠方式测量井眼环境下的电场分量的能力对实 现基于电磁场的表征和储层流体的监测技术具有重大价值。同样为公 众所熟知的是：这种传感器的持久安装能够实现油田开采的最优化。 现有的电场传感器对例如井眼流体的化学成分、井眼温度和压力条 件、流体类型等非常敏感并且需要小心的维护，因此不可靠。如果不 解决这些问题，那么供储层应用的有效电磁仪器的发展会局限于由大 多数油田服务公司基于电磁感应而商业化的丝线器件（磁性线圈）。 然而，这些基于电磁感应测量的磁性接收器对于以三维、低频方式测 量电场响应不是最优的。

在离井眼几百米远的位置查看井眼周围的流体饱和度的现行做 法依赖于使用磁通计（即磁性线圈）作为传感器的电磁技术。这些器 件被设计成检测和测量由在频域或时域内工作的电磁源产生的感应 磁场。这种技术通常测量磁场的一个分量或三个分量。

因此，目前的技术状况无法提供在井眼环境下以低频方式进行 的三分量电场测量。例如，美国专利6,373,253公开了使用环形天线 在1MHz～100MHz频率范围内测量井眼中的电磁分量。这种方法 通过使用截然不同于电容方法的感应方法得到电场分量，并且这种方 法具有非常高的频率范围。在经过感应以不接触的方式进行测量的情 况下（例如在美国专利6,489,772中公开的方法），传感器尺寸受到 限制从而传感器的使用局限于单一（竖直）分量磁场测量。

电容式电场传感器的优点在于传感器不需要直接地接触地层， 并且即使在井眼环境下传感器也能够足够紧凑来测量电场的全部三 个分量。如同美国专利6,809,521所公开的那样，在将电流注入到地 层中之后在井眼环境下进行电容式测量以测得井眼的电阻率，但是这 些属于测井工具构造并且限于井眼附近的小区域。这种技术所使用的 频率也比较高，在1kHz～10kHz的范围内。

由于难以在井眼中为电场传感器提供低接触电阻和稳定的条 件，所以本行业目前不具备井眼电场传感器技术。现有的电场传感器 对例如井眼条件和流体类型等环境条件也非常敏感并且需要小心的 维护，因此不可靠。另外，井眼的电容式电极设计用于例如大于1kHz 的高频范围，并且用作查看井眼附近的小区域的测井工具。对于这些 类型的器件来讲，电磁源与接收器在一起，或者电磁源至多与接收器 相距短距离。对电磁场的全部三个分量的测量包括沿着三个正交方向 测量电场和磁场，这会使对因注入水代替油而引起感应电磁场的极小 变化的检测受益。

如果不解决这些问题，那么供储层应用的有效遥感电磁仪器的 发展会局限于由大多数油田服务公司基于电磁感应而商业化的丝线 器件（电磁线圈）。

发明内容

本申请的发明内容涉及在储层中进行电磁测量以便表征和对例 如油、水、气等进行流体监测的领域。目前，利用持久地布置在储层 层面的电磁感测技术来监测储层的综合方法还有待于开发。引入可 靠、低频的电场传感器能够将电磁应用扩展到三个维度并扩展到井眼 附近的区域。通过使用与现有的小型化磁场传感器结合的电容式电极 技术解决了在井眼中实现三轴电场测量和用于低频的问题。

迄今为止，技术的限制已经阻碍了能够持久地布置在竖直井、 倾斜井和水平井的储层中的可靠电场传感器的发展。这些限制中的一 些与在井眼条件下不能测量电场的多个分量有关。器件的尺寸和提供 与岩层的有效低接触电阻的需要阻碍了可靠井眼电场测量器件的发 展。

储层流体具有可变的导电性并且对由电磁源提供的电磁激励表 现出不同的响应，该电磁源可以位于离接收器几十、几百或几千米远 的位置。作为电阻流体的盐水、导电流体和气体或油之间的电学性能 存在很大的反差。实际上，基于典型储层参数的岩石物理计算表明因 盐水饱和度的变化而造成的电阻率的变化可以达到一个数量级或更 大。电场分量对导电率分布的变化最为敏感并且是表征流体类型和监 测流体随时间演变所需的地球物理信息的首要来源。多分量电场传感 器放置在储层中或储层上方或储层下方或者在将这些位置组合的一 些位置中，这样除在注水过程中监测波及系数（驱扫效率）之外还可 以监控和管理石油生产。

与在现有技术中测量单一竖直分量相比，测量井眼中三轴分布 的低频电场的能力会大大提高对储层流体成分和成分随时间变化的 敏感度。由于电容式电极对局部环境和湿度不敏感并且可以与井眼中 的流体隔离，所以通过使用电容式电极可以可靠地实现上述能力。实 际上，从流体到感测板的电传导完全是电磁方式的；电传导不依赖于 电极和流体之间的化学反应（例如离子交换），因此不依赖于流体的 化学环境。

电容式电场传感器在自由空间内工作而不与任何物体电接触。 这种技术允许在井眼中以三维方式静止地或缓慢移动地测量电场分 量。该技术没有移动部件并且功率低。此外，由于该技术不经由化学 反应与地层结合，所以这种测量更加可靠并且不依赖于例如压力、温 度和化学性质等局部环境条件。电容式电极技术还可以应用于沙漠环 境所特有的极其干燥的地面。这样具有无需使用电解质（例如在常规 的不极化电极（多孔陶瓷电极）中使用的物质）的优点，因此能够持 久地布置在储层层面处而无需维护。

由于电容式电极小于在现有技术中使用的传感器，所以允许在 井眼的有限空间内对三轴电场进行测量。此外，如上所述，由于三轴 电容式电极与井内流体隔离，所以三轴电容式电极可以持久地设置和 定位在储层中或者在日后布置和取回。如在本文中的进一步描述，在 本申请的一个实施例中，可以通过测量在预定表面处、同一井眼中或 另一井眼中的更远的电流源引发的电场测量电场的全部三个分量而 不会在地层中感生局部电流。这样具有使勘探深度从几十厘米至几百 厘米延长到几十米至几百米甚至到数公里的效果。

在本发明的一个实施例中，一种用于采集储层数据的方法包括 提供配备有电容式电极的至少一个电磁传感器以及将所述至少一个 电磁源定位成与所述电磁传感器分离。然后，使用所述电磁源在储层 中生成电磁场并且使用所述电磁传感器测量所述电磁场以采集测量 的数据。可以使用测量的数据生成所述储层的模型。

本发明的方法采用的电磁传感器可以以三维方式测量电磁场。 这包括以三维方式测量电场和磁场。可以生成三维模型。所述电磁传 感器可以与地下井中的井套或开采管连接，或者所述电磁传感器可以 附接在称为井眼的井的内表面上。

可以使用丝绳将所述电磁传感器定位在地下井中，并且可以使 用丝绳从井中取出所述电磁传感器。可选地，可以使用管柱将所述电 磁传感器定位在地下井中。所述电磁传感器可以以不与井的内表面接 触的方式定位在地下井中。在一个实施例中，所述电磁源定位在预定 表面处。在可选实施例中，所述电磁源定位在另一个井中。在另一可 选实施例中，所述电磁传感器可以定位在预定表面处，并且所述电磁 源可以定位在地下井中。在另一实施例中，所述电磁传感器可以定位 在一个井中，并且所述电磁源可以定位在同一井中。在每一种情况下， 所述电磁传感器可以与所述电磁源相距几米至几公里，并且在一个实 施例中所述电磁传感器与所述电磁源相距至少1米。

在本发明的方法或装置的一个实施例中，所述电磁源以0.1Hz～ 1000Hz范围内的频率工作。所述储层可以是储油层、储气层或储水 层。所述电磁传感器能够采集频域和时域内的电磁场数据（时域电磁 场数据和频域电磁场数据）。

在本发明的另一实施例中，一种用于采集储层数据的方法包括 将至少一个电磁传感器定位在地下井中以及将至少一个电磁源定位 在与所述电磁传感器分离的位置。通过所述电磁源在储层中生成电磁 场。

在进一步的系统实施例中，所述电磁传感器不与井的内表面接 触。所述电磁传感器能够以三维方式为0.1Hz～1000Hz范围内的频 率采集数据，并且在一些实施例中频率范围为0.1Hz～10Hz。所述 电磁传感器还能够采集频域和时域内的电磁场数据。

在本发明的可选实施例中，一种用于采集储层数据的装置包括 在储层中产生电磁场的至少一个电磁源以及配备有电容式电极的至 少一个电磁传感器。所述电磁源位于与所述电磁传感器分离的位置， 例如在距离远的位置。所述电磁传感器可以位于地下井中并且不与井 的内表面接触。所述电磁源可以位于预定表面处或者位于与所述电磁 传感器分离的地下井中或者位于与所述电磁传感器相同的地下井中。 位于预定表面处的所述电磁源可以位于地面、水体的顶面、水体的底 面，或者定位在水体中的处于气-水界面下方且处于水体的底面上方 的位置。在一个实施例中，所述电磁源位于离所述电磁传感器至少1 米远的位置。

在可选实施例中，所述电磁传感器位于预定表面处，所述至少 一个电磁源位于地下井中。所述电磁传感器可以包括排列成阵列的多 个传感器。

所述电磁传感器能够以一维至三维的方式采集数据。所述电磁 传感器附接在井套或开采管上，或者可以附接在称为井眼的井的内表 面上。可选地，所述电磁传感器可以是井下工具的一部分。所述井下 工具可以由丝绳输送和取回或者由管子输送。可选地，所述电磁源可 以是井下工具的一部分。

附图说明

从而，可以清楚地理解获得将变得显而易见的本发明的上述特 征、方面和优点及其他内容的方式，并且可以参照在构成本说明书一 部分的附图中示出的本发明的实施例对本发明的以上简要概括内容 进行更具体的描述。然而，应注意的是：附图仅示出本发明的优选实 施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，这是因为本发明允许 其他的等效实施例。

图1是根据本发明构建而成的测量系统的剖视图。

图2是在本发明的系统中使用的带有电磁传感器的井下工具的 透视图。

图3是在本发明的系统中使用的包裹导体的管子的横截面视图。

图4是根据本发明构建而成的测量系统的可选实施例的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统可以在多个地下井中使用。一个井 10可以套有井套12。水泥14包围井套12，并且井套和水泥均延伸 至井的底部。另一个井11也套有被水泥14包围的井套12，但是井 套和水泥不延伸至井的底部。井11可以在井套12和水泥14的底部 下方另外具有开采管16，开采管16向下延伸到井的开口部22中。 封隔器18将管16密封在井11中。井10、11中的每一个具有井头 20。这些井可以具有竖直井眼、倾斜井眼或水平井眼。

在图1的实施例中，电磁传感器单元24定位在井10和井11中。 在可选实施例中，传感器单元24可以定位在一个井或两个以上的井 中。传感器单元24通过电力管缆段26彼此连接，并且最上面的传感 器单元经由主管缆30与电源电子通信模块28连接。如图1的实施例 所示，可以在每个井中定位多个传感器单元24。这些传感器单元24 可以定位在储层层面的上方、下方或定位在储层层面处、或者定位在 将这些位置组合的任何位置处。传感器单元24不具有移动部件因而 只需要较低的功率。

在图1的实施例中，电磁源32位于预定表面处。单个电磁源32 可以为多个井产生足够强的电磁场。可选地，可以在每个井周围定位 多个电磁源32。电磁源32位于与传感器单元24分离的位置，例如 可以位于离传感器单元24几米远的位置，或者甚至可以位于离传感 器单元24几公里远的位置。可以使用交流电源或直流电源。在可选 实施例中，电磁源32可以位于与传感器单元24所在的井相邻的井中， 或者位于与传感器单元24相同的井中并与传感器单元24相距有限距 离（例如几米）的位置。

电磁源32和传感器单元24的组合能够以三维方式测量和报告 信息。这些测量值可以包括电场和磁场的竖直分量和水平分量。可以 获得频域和时域内的电磁测量值。由传感器单元24检测到的频率在 0.1Hz～1000Hz范围内。由传感器单元24采集到的测量值和数据可 以提供与传感器单元24周围很大范围（例如几十米或几百米直到数 公里远的范围）内的区域有关的信息。

现在转向图2，井下工具34容纳传感器单元24。传感器单元24 包括具有内腔46的细长本体44。细长本体44可以具有弯曲内表面 48和弯曲外表面50以适合于井的内径。传感器单元24通过管缆30 与电源电子通信模块28（图1）进行通信。例如，管缆30可以是电 缆，也可以是如图3所示的包裹有导体的管子36。如图3所示，包 裹有导体的管子36包括包围绝缘层40的管子38。导体42位于绝缘 层40内。

现在回到图2，管缆30在上端螺母52处连接传感器单元24。 在传感器单元24的面朝上的顶面上，上端螺母52位于传感器单元 24的上端附近。导体56在上端螺母52处从管缆30中伸出并经由上 通道54进入腔体46中，并且导体56在穿过下通道64在下端螺母 68处与管缆26连接之前以通信方式与印刷电路板电子模块60和电 磁传感器62连接。管缆26也可以是包裹有导体的管子36（图3）。

从图2的实施例中可以看出，在上端螺母52下方，上穿壁式连 接器压力挡板58密封上通道54以隔绝井下环境的压力。在下端螺母 68上方，下穿壁式连接器压力挡板66密封下通道64以隔绝井下环 境的压力。中间穿壁式连接器压力挡板70密封中间通道72以隔绝井 下环境的压力。上通道54、下通道64和中间通道72是通向内腔46 的仅有开口。挡板58、66和70有效地密封内腔46以隔绝井下环境 的高压力，从而允许将内腔46保持在大气压力下以便保护容纳在内 腔46中的印刷电路板电子模块60和其他任何电子元件免受过大压力 的影响。

在内腔46的外部，在传感器单元24的外侧面50中形成有凹槽 74。至少一个电磁传感器62位于凹槽74中。在凹槽74中，绝缘体 76位于传感器62的上面和下面。电磁传感器62是低频三轴电容式 电极传感器，并且电磁传感器62能够采集和报告三维电场、三维磁 场以及采集和报告三维磁场随时间发生的变化。电磁传感器62可以 采集频域和时域内的电磁场数据。电磁传感器62的能力不依赖于传 感器62周围的化学环境或井眼的局部温度或湿度。传感器62能够在 干燥条件下工作（例如用在常规的不极化电极中）而不需要电解质， 所以传感器62能够持久地布置在预定表面或储层层面处而无需大量 的日常维护工作。电磁传感器62可以与地层（储层）接触或完全与 井眼的内表面隔开。

返回到图1，在井10的实施例的操作中，当井套12伸入到井中 时，传感器单元24可以附接在井套12上因而可以持久地安装在井中。 对于井11的实施例来说，当开采管16伸入到井中时，传感器单元 24可以附接在开采管16上而安装在井中。如果取出了开采管16，那 么也会从井中取出传感器单元24。否则，传感器单元24附接在开采 管16上并留在井中。在可选实施例中，传感器单元24可以固定在井 眼中。可选地，对于井10或井11来讲，可以使用丝绳或用于将井下 工具放置到井中的其他常规装置来将井下工具34下放到井中。在该 实施例中，当带有传感器单元24的井下工具34需要日常维护、维修、 更换、或者因地层条件的变化而需要重新定位传感器时，或者根据其 他需要，井下工具34可以被取回或者在井眼中移位。

在传感器单元24被固定在井中之后，电磁源32产生能够透过 包括储层附近的区域（例如储层的上方、下方和内部的区域）的地面 并到达传感器62的电磁场。电磁源32可以持续地或间歇性地（例如， 一小时、一天或一星期产生几次）产生信号。可选地，电磁源32可 以仅在操作者选择采集数据时才产生信号。由例如在注水过程中形成 的水-油替代引起的电阻率的变化会导致电磁场的变化，这种电磁场 的变化可以被位于储层内或接近于储层的传感器62检测到。对三轴 电场和磁场的测量可以记录、报告和揭示这些变化。根据这种信息可 以生成包括水饱和度在内的储层模型。该模型可以是三维的，并且通 过考虑覆盖层的电各向异性可以进一步细化，该覆盖层是位于地层和 地面之间的材料。

图4示出了可选实施例。在该实施例中，电磁传感器单元78设 置在预定表面处或者恰好埋在预定表面下方而成为阵列或网格状的 样式。图4所示的预定表面是地面，在可选实施例中，预定表面可以 是水体的顶面、水体的底面、或水体中的处于气-水界面下方并处于 水体底面上方的位置。传感器单元78分别位于离井10、11一定距离 的位置，例如可以是离井10、11几百米远的位置或者甚至是离井10、 11几公里远的位置。

一些导电电缆80将每个传感器单元78与共同的电源通信模块 82连接。其他导电电缆80在电源通信模块82和每个井头83之间建 立连接。与图1的实施例相似，井10可以套有延伸至井10底部的井 套12。井11也可以套有不延伸至井的底部的井套12。井11可以在 井套12下方另外具有开采管16，开采管16向下延伸到井的开口部 22中。

电力管缆84从井头83延伸到井10和井11中。电力管缆84连 接至一个或多个电磁源单元86。在井10的操作中，当井套12伸入 到井中时，电磁源单元86可以附接在井套12上因而可以持久地安装 在井中。对于井11来讲，当管16伸入到井中时，电磁源单元86可 以附接在开采管16上而安装在井中。如果取出了管16，那么也会从 井中取出电磁源单元86。否则，电磁源单元86附接在管16上并留 在井中。可选地，对于井10或井11来讲，可以使用丝绳或用于将井 下工具放置到井中的其他常规装置来将电磁源单元86下放到井中。 在该实施例中，当电磁源单元86需要日常维护、维修、更换、或者 因地层条件的变化而需要重新定位电磁源单元86时，或者根据其他 需要，电磁源单元86可被取回或者在井眼中移位。

在电磁源单元86被固定在井中之后，电磁源单元86产生能够 透过包括储层附近的区域（例如储层上方、下方和内部的区域）的地 面并到达传感器单元78的电磁场。电磁源单元86可以以宽带频率生 成电磁场。由例如在注水过程中形成的水-油替代引起的电阻率的变 化会导致电磁场的变化，这种电磁场的变化可被传感器单元78检测 到。对三轴电场和磁场的测量可以记录、报告和揭示这些变化。可以 获得频域和时域内的电磁测量值。由传感器单元78检测到的频率在 0.1Hz～1000Hz范围内。由传感器单元78采集到的测量值和数据可 以提供与传感器单元78周围很大范围（例如几十或几百米到数公里 远的范围）内的地下区域有关的信息。

根据这种信息可以生成包括水饱和度在内的三维储层模型。该 模型可以是三维的，并且通过考虑覆盖层的电各向异性可以进一步细 化，该覆盖层是位于地层和地面之间的材料。

已经完成了用来证实该系统的能力的建模研究。使用包括表面 电磁源和在井眼中的一组接收器的构造来生成与沙特阿拉伯的加瓦 尔（Ghawar）储层的乌斯马尼亚（Uthmaniyah）地区的一部分相似 的储层模型。从该三维建模实践获得的结果表明由例如在注水过程中 形成的水-油替代引起的电阻率的变化导致了电磁场的可被检测到的 变化。

表1提供了加瓦尔储层的乌斯马尼亚地区的特征，以便可以获 得地球物理参数的预期相对变化与水饱和度Sw为5%的基准的比较。

表1.不同量的水饱和度Sw的地球物理参数的相对变化的比 较。这些值相对于基准Sw=5%作了归一化处理。

在时域内对全三维电磁场进行建模。正如预期的那样，电阻率 参数与密度和地震初波（P波）波速相比表现出最大的相对变化。电 阻率的变化量足够大，使得电磁场的变化能够被仪器检测到。因此， 电磁技术可以用来指示储层中是否存在水。

基于上述研究和进一步的分析，对于这个具体实例来说，可以 断定：该系统能够在0.01秒至1秒的时间内对0.1Hz～1kHz的测量 频率范围检测量值非常小的电场（例如100nV/m的电场）。该系统 能够采集多达100个堆栈化的测量值。该系统还能够在内径为15cm 且包括原油、泥浆和盐水等流体类型的井内工作。

跨越15cm的距离测量100nV/m的电场需要检测到15nV的电 压差。在该模型中，电压噪声被投射并转换回电磁场。测量0.1Hz 的信号需要至少10秒时长的测量。为简单起见，假定记录最低频率 信号（0.1Hz）需要使用10秒的持续时间获得10个测量值（堆栈）。 对于中等频率（10Hz）来讲，需要使用0.3秒的持续时间获得30个 测量值（堆栈）。为记录最高频率（1kHz），需要使用0.01秒的持 续时间获得100个测量值（堆栈）。这些数字只是作为示例，并且分 别需要100秒、10秒和1秒的总测量时间。

基于上述传感器的机械规格，对于原油＋盐水＋泥浆的混合物 的情况，表2列出了每个信号频率的最小可检测电磁场（测量信噪比 =1）。如果记录1kHz信号需要更高的敏感度，那么采集1000个堆 栈需要总共10秒的时间并提供25nV/m的最小可检测电场。

表2.对在100℃下工作的系统的不同信号频率投射的最小的可 检测电场。

因此，初步结果表明构建全电容式电磁场传感器（即零电阻接 触）是可行的，这样的电磁场传感器满足对于以0.3Hz～1kHz的频 率在测试油田中的纯油或盐水/泥浆环境下工作的测量要求并且在以 0.1Hz的频率工作时敏感度略有降低。

尽管已经详细地描述了本发明，但是应理解的是：在不背离本 发明的要旨和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、替换和变 更。因此，本发明的范围由前述权利要求及其适当的法律等同内容确 定。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式也包括复数指示物。 “可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情形可能发生或者可能 不发生。这样的描述包括所述事件或情形发生的情况和所述事件或情 形不发生的情况。在本文中，范围可以表示为从一个具体值到另一个 具体值。当这样表示范围时，应理解的是：另一个实施例是从一个具 体值到另一个具体值以及在该范围内的所有组合。

在本申请中引证专利文献或公开文献的意图在于将这些参考文 献的公开内容以全文引用的方式并入本申请中，以便更充分地描述本 发明所属技术领域的现有技术的状况，然而应当除去这些参考文献与 本文做出的陈述抵触的情况。