一種估量地質構造的物理參數的方法

2023-06-09 11:13:21 3

專利名稱：一種估量地質構造的物理參數的方法
技術領域：
本發明涉及底土 (subsoil)內各物質(material)層的物理參數的 確定。
背景技術：
該方法的目的是查明底土各物質層的相關屬性，諸如滲透率、孔 隙度或者是自然壓力。假設要開發底土，那麼對於這些屬性的認識就 非常有用，比如由此提取碳氫化合物。
FR-A-2 747 470文獻描述了 一種測試地下流體存儲腔的密封度的 方法。依照這種方法，該存儲腔以及可從地表面到達存儲腔的井，用 兩種不能混溶的流體進行填充，兩種流體之間的界面糹皮定位在一個所 期望的深度。為了模擬這個深度上的滲漏，注入或抽取預訂數量的兩 種流體中的一種。在每次注入或抽取之前和之後，同時測量所述井的 頂部的壓力，以及界面的位置。然後從這些測量數據中估量得到滲漏 流率(leak flow rate )。
這樣的 一個方法通過估量井的套管鞋(casing shoe )的滲漏流率， 使得確定存儲腔的密封度成為可能。但這種方法不可能估量出滲漏的 位置，或者估量出在給定深度的井的周圍物質的物理參數。此外，這 種方法也不可能獲得井內的多個物質的層的物理參數。

發明內容
本發明的目的是儘量少受這種限制而測算出底土的物理參數。 根據本發明，提供了一種估量地質構造的物理參數的方法，包括 以下步驟
-用一底部開口的管道裝配一通過所述地質構造的井；
-用 一第一流體填充所述管道和處在所述井內的所述管道周圍的一環形空間的底部；
-用至少一種第二流體填充所述環形空間的剩餘部分，以便所述
多種流體在所述環形空間內呈現 一 個界面； -擾動所述井內的多種流體的液壓平衡；
-測量在所述井內與所述多種流體的屬性相關的參數值的走向； -通過計算機仿真在所述井內有一液壓平衡擾亂時所述多種流體
的液壓特性，每次仿真對於所述地質構造的物理參數使用一組數值，
並產生所述參數值的一仿真走向；
-通過比較所述參數值的所述測量走向和所述仿真走向，以確定
對於所述地質構造的物理參數的 一 組最佳數值。
所述井和它的周圍環境承受序列的測試，在測序序列期間進行測 量，以及對液壓平衡引入擾動，期間包含在井內的流體會經歷升壓 (overpressure)或降壓(depressure ),並且因此所述流體會部分滲 入周圍的巖石層中。諸如管道的內、外壓力或流體界面的高度等數值，
均可在它們的動態走向中得到測量。
此外，流體向所述地質構造的流動，可以用一^^型進行仿真，比 如用 一種分析模型或有限元模型，該模型考慮所述底土的組成物質的 屬性，尤其是滲透率(permeability)和/或孑L隙度(porosity)。通過 對模型的預測的測量的比較，使得利用優化的方法來估量被尋求的參 數成為可能，比如利用通常用於數據分析的方法。
因而有可能估量出被所述井所貫通的地質構造的物理參數，因為 被測量和被仿真的走向與幾組連續測量的序列有關，所述測量的結果 是即時累加所形成的。
在本發明的方法的實施例中，如果有必要，也可以採用以下安排 中的一個和/或另一個
-通過調整所述井內的所述第一流體和所述第二流體的容量，所 述界面被連續地置於不同深度，並且，在每個深度，擾亂所述多個流 體的平衡並測量所述參數值的走向；
6-通過調整所述井內的所述第一流體和所述第二流體的容量，使 得所述界面在至少兩個深度之間被置換，並且，當所述界面被置換時，
擾亂所述多個流體的平衡並測量所述參數值的走向；
-通過調整所述井內的所述第一流體和所述第二流體的容量，使 得所述界面在至少兩個預先確定的深度之間被置換，並測量與所述流
體的屬性相關的參數值的走向；
-通過注入或者抽取所述管道內和/或所述環形空間內的一預定容 量的流體，擾亂所述井內的液壓平衡；
-每次仿真包括所述流體向所述地質構造的滲透流率(permeation flow rates)的一個估量，然後一個與所述井內的多種流體的屬性相關 的所述參數值的仿真走向的估量；
-每次仿真還包括一個基於被估量的滲透流率的、在所述環形空 間內所述界面的深度的估量；
-所述第一流體和第二流體是液體；
-所述物理參數包括至少一個有關所述地質構造的物質的至少一 層的滲透率和孔隙度的參數；
-所述物理參數包括所述地質構造層的物質的至少一層的自然壓
力；
-所述第一流體的濃度大於所述第二流體的濃度； '-與所述井內的多種流體的屬性相關的所述參數值包括沿所述環 形空間的所述界面的深度；
-與所述井內的多種流體的屬性相關的所述參數值包括一 個在所 述井的頂部對流體進行注入或抽取時的流率；
-所述井還安裝一用於與流體屬性相關的所述參數值之一的伺服 控制；
-測量序列被連續執行，每個測量序列包括
通過調整在所述井內的所述第 一 流體和所述第二流體的 容量，對於所述測量序列，將所述界面定位於一預定深度；
通過注入或者抽取在所述管道或所述環形空間內的一預定容量的流體，來擾亂在所述井內的流體的液壓平衡； -與所述井內的多種流體的屬性相關的所述參數值包括 一 在所述 管道內的壓力和 一 在所述環形空間內的壓力； -在所述井的頂部測量所述壓力；
-所述壓力之一被視為一參考壓力，且每個測量序列至少包括以 下步驟
(al)置換所述井內的所述界面至一預定位置， (a2)通過注入一第一容量的流體擾亂所述井內的所述流體的液 壓平衡，所述參考壓力從一初始壓力值變化到一最終壓力值， (a3)觀察所述壓力的變化，
U4)通過抽取一第二容量的流體使所述井內的流體恢復平衡， 所述參考壓力大致變化到所述的初始壓力值。
-在所述步驟al中，在各個測量序列下，所述界面被置於不同深
度；
'-所述地質構造包括被所述井所貫通的多個物質的層，並且，在 所述步驟al中，在各個測量序列下，所述界面被置於面向不同的物 質的層。
通過閱讀參照以下附圖以及對非限制性實施例所作的詳細描述， 本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯。


參考附圖
-圖1示出了應用了本發明的方法的井的橫斷面視圖，
-圖2a示出了在執行本發明方法的第一實施例過程中，井內的壓 力變化走向的時間函數，
-圖2b示出了在執行與圖2a中相同的本發明方法的實施例過程 中，井內的界面的深度變化走向的時間函數，
-圖3是圖1中井道橫斷面視圖的局部放大圖，其顯示了一物質的 層以及與所述物質的層對應的液壓數學模型的參數，-圖4示出了一和圖l相似的井的橫斷面視圖，顯示了井的液壓數 學模型的其他參數，
-圖5a示出了在執行本發明的方法的第二實施例過程中，井內的 壓力走向的時間函悽史，
-圖5b示出了在執行與圖5a中相同的本發明方法的實施例過程 中，井內的供應流率走向的時間函數，
-圖5c示出了在執行與圖5a中相同的本發明方法的實施例過程 中，井內的界面的深度走向的時間函數。
在不同的圖中，相同的標號代表相同或相似的內容。
具體實施例方式
圖1示出了井10,由靠近地表面12的一井頂部lla和一井底部 llb之間的一鑽孔11所形成。圖1中示出的所述鑽孔11基本上是垂 直的，但就偏斜井來說所述鑽孔也可以是傾斜的。
包含一個內在金屬管的注水泥套管15形成了所述井10的上部 10a的內套(internal lining ),其位於所述井頂部lla和一套管端區域 16之間，通常稱為套管鞋(shoe)。這個套管15基本上是密封 (seal-tight)的，使得各種流體或液體能夠在所述鑽孔11中流通。所 述套管鞋16位於距離地表面12深度為z!的位置上。
在所述套管鞋16的下面，井道IO在區域10b內延伸，通常稱作
棵眼井段(open-hole section),至所述井底部llb。在該棵眼井段中，
所述鑽孔11穿過地質構造13，該構造〗叚定包括一連續的N個標記為 q， C2到(^的物質層，然後是G層。這些物質層通常是巖石，其礦物
組分基本上是同質的，考慮到其深度，大於幾百米深，例如超過500 米。第一層C"立於所述套管15的下面並且接近該套管。C"層位於靠 近所述井底部llb處。這些物質層被描繪為水平地環繞在鑽孔11的 周圍，當然也可以是其他分布情況。
每一層C'由一頂部表面和一底部表面所限定。G'層的底部表面對 應於下一層C'"層的頂部表面。
9在執行本發明的方法過程中，通過已知的底土顯像技術，Ci—c"層 的表面的位置可以被確定下來，尤其是在鑽出井道IO之前，通過地 震技術的實施，或是在鑽井道10期間，通過測井圖(diagraphic)技 術的實施。這些技術的使用使得了解形成底土的各層的幾何特性成為 可能。本發明的方法然後能用於獲取形成這些層的巖石或者物質的液 壓特性的信息。特別地，本發明的方法能夠提供形成這些層的物質的 不同物理參數的估量。本發明的方法適用N個物質層，所述N可以 從一到幾十的範圍內取值。
.每一層C'可以通過諸如滲透率、孔隙度或自然壓力等物理參數來 表述。本發明的目的是確定這些物理參數中的至少一個。正如下文中 會提及到，由於在所述井IO的打鑽過程中，考慮到打鑽操作周邊的 巖石屬性參考值的可能修改，鑽孔11附近的表面效應應被考慮。
最後一層G層的底部表面被視為位於所述井底部lib,位於距離 地表面12深度為Z2的位置上。
管道17位於所述井10內，基本上從所述井頂部lla—直到所述 井底部llb。 一個圓柱形空間18被界定於所述管道17的內部。 一個 環形空間19被界定於所述井10和管道17的壁之間。
所述環形空間19在所述井頂部lla連接著閥門24、導管25和機 泵26，該機泵連著一個載有流體I^的艙罐27。所述流體L—人所述井 頂部lla至距離地表面12深度為4的界面佔據著所述環形空間19。
例如，所述流體"是一種輕流體，如輕質烴或軟水。
位於所述管道17內部的圓柱形空間18在所述井頂部lla連著閥 門20、導管21和機汞22，該機泵連著一個載有流體L2的艙罐23。 所述流體L2佔據著乂人所述井頂部lla到所述井底部llb之間的所述圓 柱形空間18,以及從所述井底部llb至深度為Zi的界面間的環形空間 19。
例如，所述流體L2是一種重流體，如泥漿(mud)。 本發明的方法優選地使用兩種流體Li、 L2,但不限於使用兩種流體。在深度z'處， 一界面34分隔了兩種流體Lp L2。優選地，流體 Lp L2不混溶，這樣能使兩者間存在一個清晰的界面34。
在所述井頂部lla，第一壓力傳感器28通過導管29和閥門30連 接到在上部充滿了流體Li的所述環形空間19。由此使得傳感器28在
所述井頂部測量所述環形g間19的壓力Pann成為可能。
類似地，第二壓力傳感器31通過導管32和閥門33連接到充滿
了流體L2的所述圓柱形空間18。由此使得所述傳感器31在所述井頂
部測量所述管道17中的壓力P^b成為可能。
這兩個在井道頂部的壓力傳感器形成一個井10的測量手段的實 施例，該裝置用於獲取所述井10內可測量的參數值，但也可設想其
他的可能方式。
比如，所述被提議的測量手段的變化例包括 -第一壓力傳感器安裝在所述管道17的外表面，基本上面對著 所述套管末端區域16，即深度z!處，
-第二壓力傳感器安裝在所述管道17底部的外表面，即大約深
度Z2處。
在這種情況下，兩個壓力傳感器在所述井IO的環形空間19內， 所述第一傳感器測量所述流體"的壓力，所述第二傳感器測量所述 流體U的壓力。
另一種可供選擇的井道測量手段包括一個界面34的位置傳感器， 或位於所述環形空間19和圓柱形空間18內的流率傳感器。
在其後的說明中，如圖l所示，將參考在所述井頂部lla的壓力 傳感器28， 31。這可以被理解為任何其他測量手段，尤其是前文已描 述的測量手段之一，均可能用於實施本發明的方法。
圖2a和圖2b示出了在一具體實施例中，壓力值P:"和壓力值《:之 一被作為是參考壓力值^/,這個壓力值的變化走向(趨勢)的時間函 數，以及相應地，界面34的深度Zi的變化走向的時間函數。
這個序列包括連續步驟(al) - U4),被表示為圖2a和圖2b間 垂直虛線之間的時間。在所述步驟(al )中，所述井10中的界面34在深度ZlM至深度
Zn之間置換，深度Zn-!至深度Zn在Zi至Z2之間。
執行所述步驟(al ):
-要麼經機泵26、導管25和閥門24注入置換容量為^的流體A, 與此同時，經才幾泵22、導管21和閥門20抽耳又同等容量的流體L2。 在此第一情形下，向所述井底部lib置換所述界面34;
-或者經機泵26、導管25和閥門24抽取置換容量為^的流體A， 與此同時經機泵22、導管21和閥門20注入同等容量的流體L2。在 此第二情形下，向所述井頂部lla置換界面34;
所述置換容量可以用環形空間19的平均部分&"來確定。
所述步驟(al)參照一參考壓力執行，這個壓力有一初始值P,, 該初始值非常低或者接近於零，並可以被其他壓力的變化所控制。所 述井基本上處於平衡。因此所述流體在空間18-19之間流通。
在所述步驟(a2)中，所述井內的液壓平衡被注入或者抽取容量
為V!的流體所擾亂，所述參考壓力從初始值Pi變化到一最終值Pf,
如圖2a所示。
與所述井的總容量相比，容量V,很小，只有少許幾升，比如少 於100升，並且，這個容量的流體是在很短的幾秒鐘的時間內被注入， 比如少於60秒。
所述步驟(a2)可包括通過機泵26、導管25和閥門24的參與， 向環形空間19內注入或抽取一預先確定的容量為Vi的流體A，或者 通過機泵22、導管21和閥門20的參與，向圓柱形空間18內注入或 抽取一預先確定的容量為V！的流體A。
通過這種注入或抽取，所述井10內的壓力#1改變，液壓平衡#皮 擾亂。所述流體A、 ^開始滲入地質構造13的層中，或者從地質構造 13的層中被吸取。
圖2a示出了注入流體的情況。在這種情況下，在所述步驟(a2) 中，所述井內的壓力會增加。
在所述步驟(a3)中，在時間段D，中，當流體Lp L2向地質構造13的各個層中滲透、或者從地質構造13的各個層中被吸取時，壓
力值Pt" b和的變化可以被觀察。
時間段D，可以小於1小時，有時小於IO分鐘。這是根據流體L
和L2的特性和/或d-CN層的物理參數的數量級來選擇的。
時間段D，在在本發明的方法的每個測試序列中可以不相同。圖 2a顯示了兩個序列時間段D，內的 一第 一 步驟(a3)和時間段D"內的 一第二步驟(a3)。
在所述井10中壓力恢復至所述流體的液壓平衡。
在圖2a的情況中，這些壓力值減小。
被觀測的壓力值的變化，代表著所有物質的層的特徵，以及測量 序列重複的歷史記錄。因此，這些壓力值的變化走向是很複雜的。特 別地，對單一的重複的觀察並不能獲取充分準確的某一物質層的物理參數。
在所述步驟(a3)中，所述界面34的深度Zi也在變化，但是由 於容量Vi很小，這個變化在圖2b中並不能被觀察到。
在所述步驟(a4)中，通過抽取或注入容量為V2的流體，所述 井內的流體恢復平衡，與步驟(a2)相反，參考壓力值P^f基本上回 到初始值Pi。
接著步驟(a2)的擾動使系統自然地回到平衡狀態，可能需要比 較長的時間，例如超過l個小時，或甚至超過4個小時。優選地，可 通過本方法中的所述步驟(a4)來強行使之回至平衡，以縮短所述步 驟(a3)中的時間段D，。
然後，步驟(al)到(a4)組成的序列可被重複一定數量的次數， 圖2a-b示出了兩次重複。對(al)-(a4)的序列的重複，使之可能獲取大 量的測量數據，然後被用於分析以得到C廣CN層的物理參數的估量。
優選地，所述界面34在每一次重複中被確定在深度為z^的位
置上，該深度Zn^此區與前一次的重複中的深度Zn不相同。特別地，
在連續步驟(al)中通過選擇一個適當的置換容量Vd,有可能使得所 述界面34在每一次重複中被定位一不同的層Q的層面上。具有一組參數的一數學模型能被用來仿真所述井IO的液壓特性， 以便得到計算量，該計算量的動態走向和與被測量的值相一致。在所 示的例子中，壓力值Pann和Ptub可被計算出來。
所述數學模型使用一些假定是已知的數值，比如 -流體L!、 L2的特性，比如它們的密度p^ p2,動力粘度^、 /X2, 或者壓縮係數&、 |32 。
國所述井IO的特性，比如深度zt和Z2、與所述套管15相一致的 所述環形空間19的平均部分Sa加、在所述棵眼井段10b的所述環形空 間19的平均部分i;、內部圓柱形空間18的一平均部分stub。
之前的記錄，尤其是地震或測井圖的記錄，可以被用來了解預先
準備了所述井10的地質構造13的特性，比如不同組成的物質的層的 深度和厚度。然而這些信息是可選的。也可能在所述數學模型中取任 意厚度值來定義層，它也許是非常小的，如只有5米。
所述數學模型也可以使用未知的參數，有關每一個物質的層Cj, 尤其是
-滲透率K1,以及
-孔隙度cj)i。
所述地質構造13的物質的層Ci的滲透率，經常被修改到與所述 鑽孔11的牆壁相接近。所述模型因而可以用表皮(skin)概念來加以 補充。然後，如圖3所示，除了所述滲透率K'和孔隙度(f)i之外，每 一物質的層Q的參數包括
-表皮的徑向厚度s4，
-表皮中的滲透率4，
-表皮中的孔隙度^。
作為一個變化例，所述表皮可以通過用一個單一的被稱之為"表 皮，，的參數Si來以簡化的方式加以建模，對於每一物質的層d,可被 定義如下
s =
log
14其中
-K是所述表皮外的滲透率，
-Ks是所述表皮中的滲透率，
-^是所述鑽孔11的半徑，
formula see original document page 15是所述表皮的外部半徑。
在所述模型的一個變型中，每一物質的層C,包括M個標號為j的 徑向區域，其形成同心環，每個徑向區域都有一半徑厚度W, —滲透 率A和一孔隙度襯。然而，這種變型很大程度地增加了待確定的參數 的數目。
在所有的情況中，所述井10的數學模型是基於所述高出棵眼井 段的流體Li和L2的每個瞬時時間t的滲透流率Qi、 Q2的計算的。
隨著在所述井頂部11 a注入或者抽取流體後所述井內的壓力的變 化，當對應於其中滲透流率Q2幾乎為零時的平衡狀態時，所述 壓力值回到它的初始值。
所述兩個滲透流率與所述井的頂部的壓力變化的速度按照下列 矩陣相關聯formula see original document page 15其中
formula see original document page 15
以及
、d d
Pi和P2分別是流體Li和L2在所述棵眼井段的深度的密度，-g是重力加速度，
-P，n是所述流體Li在所述環形空間19內的平均密度， -P糹^是所述流體L2在所述管道17的平均密度，
-Vann是所述環形空間19從所述井的頂部lla到套管鞋16的容
量，
-^是所述管道17的內部容量(Vtub Stub'Htub)， -氣是所述棵眼井段10b的高度(Hd z2_Zl), -h是界面34相對於所述井底部lib的高度(h-Z2-zO -i;是所述環形空間19在所述棵眼井段10b層的平均部分， -"i和/32是所述流體"和L2各自的壓縮係數(compressibility coefficient),
_ ^ b和《] n分別是在管道17頂部和環形空間19的壓力的變化速
度，
-Hcas是所述管套15的高度(H^ Zl),
陽Htub是所述管道17的高度(Htub = Hcas+Hd z2)，
_ PiS5, (3!^, PlS， P:S, Pi", ^xt和A是壓縮係數。
所述後者的壓縮係數組通過所述環形空間和內部空間的彈性變 化來計算得出，根據所述壓力，也可以根據彈性變化參數進行表示，
即管道17的鋼、套管15的水泥和地質構造13的巖石的楊氏模量E (Young，s modulus E)和泊^H匕率v (Poisson,s ratio v)。 P^S, (^S是與所述環形空間有關的壓縮係數。 (^^是與所述管道有關的壓縮係數。
eint ， Pixt是與高出所述界面的所述棵眼井段有關的壓縮係數。 ^是與低於所述界面的棵眼井段有關的壓縮係數。 考慮這些壓縮係數對於獲得足夠的仿真準確度，特別是獲得差錯 率低於10%的仿真準確度，非常重要。'
通過對所述井i o進行填滿單 一 粘性流體以執行的實際壓縮測試， 可用來執行測量以驗證通過下面的分析方程計算得到的壓縮係數的值，所述方程從彈性變化計算得到，所述單一粘性流體不會進入所述
地質構造13中
Bint
/ int =
Rext Ptub
ext
27T
S
arm
丄int]2 + (1 + Vtub)(r^)2 kub - (1 - 2vtub) MranrJ + -^--〖，2 、-
2
toft
4(1 _ O
Etub
(1 + vgk)2 , 2(1 + ^ub)(《^f kub — (1 - 2vtub) 2E^ Etub (1 - T^ub
4冗1
v
tu]
'tub
PS
其中
T —》t /一xt
_ Ttub 一 rtub / rtub
2E. 2(1 + <
〔1 — Ttub
《^和rt^S是所述管道17的內、外半徑值，
^S是所述管套15的內部半徑， -。是所述棵眼井段10b的半徑，
_ ^勵和巳是所述管道17的材料的彈性參數，即管道17的楊氏 才莫量￡加*牙口泊+〉比r勵,
-E^和v糹是所述地質構造13在所述棵眼井段10b的物質的彈性
參數，即所述棵眼井段10b的楊氏模量^和泊松 ^。
一extr。
E"2 vg卜2 E"l + (1 +《>21
是矩陣積[AeHA^的組成部分，所述矩陣[Ae]使所述環管套15 周圍的水泥的徑向位移和徑向應力兩者聯繫起來，矩陣[A!]使所述管 套15的管道的徑向位移和徑向應力兩者聯繫起來。所述固體環內的
彈性關係可以用來建立下列方程，其對於標號為j的環有效一int
和。'是所相關的環的內、外半徑， -A和^是所相關的環的物質的彈性參數，即所相關的環的楊氏
模量^和泊松比^。
然後通過反轉先前的矩陣方程，使得計算所述井的頂部的壓力的
變化的速度成為可能，即^t，b和^tn。換言之
-一 -一 - 1 FD—
陽ra皿_DE - CFEC—Q2 —
後面這個方程可用來計算所述井的頂部lla的壓力《^和《^的 走向，正如下文所解釋的。
所述界面34的高度h的置換速度由下式給出
h =
1。d 、P2
[a — b:
'tub 3im
*啦
(2)
其中k = DE_CF,《=AF-BE和6=AD-BC.
此外，每個單位的滲透流率的高度函數可以通過i層的液壓擴散 方程來計算，和著名的傅立葉熱擴散方程類似。這個液壓擴散方程如 下所示
=k^d.vVyd
其中是液壓勢能(hydraulic potential), 一^=屍-p是
參考層面的壓力(這裡，所述界面的層面，其中壓力值《^和^^#皮
測量)，p是相關流體的平均密度，Z是相對於參考層面的深度，
-g是重力加速度，
-^是指拉普拉斯算子(laplacian)，
畫k^d是介質的液壓擴散度(hydraulic diffusivity ),f = K^d.M/^lf;
-k^d是所述物質的滲透率， -M是所述物質的比奧模量(Biot，s modulus ), -〃/是所述流體在所述物質中擴展到動態粘滯度(dynamic viscosity )。
在所述井IO周圍的一個直徑為2rw的水平面上具有一各向同性 物質的層的情況下，這個液壓擴散方程可在極坐標裡被建模，其結果 可以通過下面的單位流率的高度函數來表示
。hyd = 27l.rw.KR
廣3v)/hyd人
3r
、 "=rw 或者
①hyd = ^t.^R f(Thyd)
— ' (3)
其中，
丌u[^(u.rw) + Y02(u.rw)
—ku2T
du
《yd = Po — p00，
P00:無限距離的孔隙壓力(pore pressure),即，遠離所述井10 的鑽孔的自然壓力。
P0 : 所述井10中的恆定液壓力(constant hydraulic pressure )。 J0和Y。第一和第二階貝塞爾(Bassel)函數，
khyd卜 —yd ^ 9 ，hyd KR工 ■— 丄 Uf.r ，
=— 甘A人f = " I^.Pf-rw^
rw 八f , 其中 M
通過綜合以上高於期待高度的單位流率的高度函數，使用針對每
部分或者每一層的流體的和物質的合適參數，所述滲透流率Ql、 Q2 可以被計算。
因而，根據方程(1 )， (2)和(3),可計算出在所述井的頂部11a 的壓力值《:和^"的變化，以及所述界面34的高度h的走向。
該計算在時間方面上 一 步 一 步地被執行，從擾動的初始時刻開 始，通過4巴時間t分成比較短的時間間隔St，對於所述時間間隔計算
19一小的壓力變化。它也考慮了所述界面34的深度z,的走向，以及流 入或流出所述地質構造13的不同物質的層的兩種流體LpL2的容量。 所述第一流體的滲透流率Q "在(n+l)次重複的結果可表示如
下
Q +1(t)=氣z
"i = 0
《n hi f(4片d(z)'[t—流]
Hps a
.dz
其中
hi:相對於所述井的底部的在所述計算的第(n+l)個時間間隔期間 所述界面34的高度，
△P^n:在所述計算的第i個時間間隔期間，所述環形空間19的
頂部的壓力變化(厶《皿=《 n'St )。
在所述計算的第(n+l)次重複，滲透流率Q "可通過如下積分獲 得，即也即通過對充滿流體L的所述環形空間的高度的積分，也即
是，在H^和Heas+Hd-h之間，單位流速的高度函數，以及前一時刻
的從i=0到n的流率的求和。這揭示了在相關的深度z的物質的滲透
率K^d(z) = Ki和它的孔隙度小(z)。
在所述計算的第(n+l)個時間間隔期間，滲入所述地質構造的所述 流體L!的容量可表示為
formula see original document page 20
在所述計算的第(n+l)次重複中，所述流體L2的滲透流率Qr、乂 相似的方式表示如下
formula see original document page 20
其中
APt、b:在所述計算的第i個時間間隔期間，所述圓柱形空間的頂在所述計算的第(n+l)個時間間隔期間，滲入至所述地質構造的所 述流體L2的容量可表示如下
(n+l).St
-n+1
n.St
在所述計算的第(n+1)個時間間隔期間的壓力P^n和Pttb的變化，
可以由(l)的離散方程給出，其中，所述矩陣的組成部分C, D， E, F可以表示為在所述計算的第n次重複完成時，所述界面的高度&的 函數
—1
—卯rt _一 W_魂)c(; ")-_v2"+1_
在所述計算的第(n+1)次時間間隔期間，相對於所述井的底部的界 面34的高度h的變化可以由(2)推導得出
'fe(hn) e(hn)l
Ahn+1 = hn+l
n+l
n+1
K(hn).(p - p )g
這些計算在被執行時，認為所述初始時刻AP:" A《等於在產生擾
動時刻所測得的壓力變化(圖2a中峰值的高度)，且ho是所述界面 34的高度。
之前的方程顯示所述計算與壓力變化、所述界面的高度h的變化， 以及在每個瞬時時間t流體Ll5 L2滲透入所述地質構造的各個物質的 層q的容量之間強烈耦合。
定義一代價函數(cost function) fc,或者是目標函數，以用來評 價使用數學模型計算得到的數值和實際測量得到相同的數值之間的 差異。這個代價函數，例如，是所述計算得到的數值和實際測量得到 的數值的差的模的總和，或者甚至是所述差的平方的總和。典型地， 適當的被比較的數值是被傳感器28和31在所述井頂部lla測量到的
壓力值P=和^ o
一最小4b (minimization)或反演算(inversion)的算法可以^皮用 來尋找使得所述代價函數最小化的參數的值。
對於幾組參數，所述代價函數fe呈現局部最小化。為了解決該反轉問題(inverse problem),優選地，可以使用 一單純形型(Nelder-Mead 型)算法(Simplex,單一的)，或是一遺傳型(genetic type)算法， 或是一神經網絡型(neural network type)算法，或是一粒子群類型 (particle swarm type )算法。
為了最小化所述代價函數，最小化算法在一個可變範圍內變化所 述模型的每個參數。例如
-所述滲透率f的變化範圍可能在10-19和10"5!112之間， -所述孔隙度一 的變化範圍可能在0.01和20%之間， -在一簡化的表皮模型中，所述表皮護的變化範圍可能在0到50 之間。
圖5a到5c顯示了本發明的方法的一第二實施例，其中，所述井 裝配有一個伺服控制 一參考壓力p"/的系統，使得所述參考壓力能夠被 基本上被保持恆定在一S值，如圖5a所示。
然後，所述每個導管21、 25,例如，裝配有一流率測量裝置，用 於在所述井的頂部，在每一個瞬時時刻，測量流率和/或#:注入和#:抽 取的流體的容量。
所述伺服控制系統或者閉環控制系統，控制著所述機泵22、 26 以自動地注入或者抽取 一 定數量的流體以保持所述參考壓力值p"/恆 定。 在測試中，所述井的頂部的流率Q^n和Q^b被測量，圖5b顯示了 在 一 與圖2a和2b所示的本發明方法的第 一 實施例的測試序列相似的 測試序列期間，參考流率麼/的走向的一個例子。這些流率可以被用 來估量流體Lp L2的滲透流率Q、込，分別地，用類似於先前描述的 用於所述井的頂部壓力的所述計算的方式。
圖5c表示了本實施例中在所述測試序列期間，所述界面34的深 度z,的走向。
在所述井的頂部的所述壓力和/或流率的變化也能夠被計算出。 對於所述壓力值和流率，比較對應的所述測量數值和仿真數值的 走向，以標識出對於地質構造13的物理參數的一組最優的值。同樣，被描述的本發明的方法在界面深度對所述井10的液壓平 衡執行擾動序列，所述界面深度被預先確定，並且在每個序列期間基 本上保持恆定。然而，如果這些對所述井10的液壓平衡的"^尤動序列 被執行的同時，界面34能在兩個界面深度之間連續置換，那麼本發
明的方法也能祐:執行。特別地，所述界面34可以在兩個深度之間被
置換任意次數。朝向所述井的底部llb、接著朝向所述套管鞋16的所 述界面34的這些掃描序列本身的每一個包括至少一個所述井10的液 壓平衡的擾動。通過比較和所述流體屬性相關的測量數值的走向與仿 真數值的走向，可以標識出對於地質構造的物理參數的 一 組最佳的值。
以上的闡述描述了具有兩種流體之間單一的界面34的本發明的 方法實施例，但是在多種流體間有兩個或多個界面的情況下，也能使 用本發明的方法。
類似地，任何液體或者氣體流體也可以用來替代前文描述的述流 體的其中一種。
權利要求
1.一種估量地質構造的物理參數的方法，包括以下步驟-用一個底部開口的管道裝配一通過所述地質構造的井；-用一第一流體填充所述管道和處在所述井內的所述管道周圍的一環形空間的底部；-用至少一種第二流體填充所述環形空間的剩餘部分，以便所述多種流體在所述環形空間內呈現一個界面；-擾動所述井內的多種流體的液壓平衡；-測量在所述井內與所述多種流體的屬性相關的參數值的走向；-通過計算機仿真在所述井內有一液壓平衡擾亂時所述多種流體的液壓特性，每次仿真對於所述地質構造的物理參數使用一組數值，並產生所述參數值的一仿真走向；-比較所述參數值的所述測量走向和所述仿真走向，以確定對於所述地質構造的物理參數的一組最佳數值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過調整所述井 內的第 一流體和第二流體的容量，使得所述界面被連續地置於不同 深度，並且，在每個深度，擾亂所述多個流體的平衡並測量所述參 數值的走向。
3. 根據權利要求1的方法，其特徵在於，通過調整所述井內的 所述第一流體和所述第二流體的容量，使得所述界面在至少兩個深 度之間被置換，並且，當所述界面被置換時，擾亂所述多個流體的 平衡並測量所述參數值的走向。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過注入或者抽 取所述管道內和/或所述環形空間中 一預定容量的流體，以擾亂所 述井內的液壓平衡。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，每次仿真包括所 述多種流體向所述地質構造的滲透流率的 一 個估量，然後 一 個與所 述井內的多種流體的屬性相關的所述參數值的仿真走向的估量。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，每次仿真還包括，一個基於被估量的滲透流率的、在所述環形空間內所述界面的深度 的估量。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一流體和 第二流體是液體。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述物理參數包 括至少一個有關所述地質構造的物質的至少一層的滲透流率和孔 隙度的參數。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述物理參數包 括所述地質構造的物質的至少 一 層的自然壓力。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一流 體的濃度大於所述第二流體的濃度。
11. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，與所述井內 的多種流體的屬性相關的所述參數值包括沿所述環形空間的所述 界面的深度。
12. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，與所述井內 的多種流體的屬性相關的所述參數值包括 一 個在所述井的頂部對流體進4於注入或抽取時的流率。
13. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述井還安 裝一用於與流體屬性相關的所述參數值之一 的伺服控制。
14. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，測量序列被 連續執行，每個測量序列包括 通過調整在所述井內的所述第 一流體和所述第二流體的容量， 對於所述測量序列，將所述界面定位於一預定深度； 通過注入或者抽取在所述管道或所述環形空間內的一預定容量 的流體，來擾亂在所述井內的流體的液壓平衡。
15. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，與所述井內 的多種流體的屬性相關的所述參數值包括一在所述管道內的壓力， 和一在所述環形空間內的壓力。
16. 根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，在所述井的頂部測量所述壓力。
17. 根據權利要求15或16所述的方法，其特徵在於，所述 壓力之一被視為 一參考壓力，且每個測量序列至少包括以下步驟(al)置換所述井內的所述界面至一預定位置， (a2 )通過注入一第一容量的流體擾亂所述井內的所述流體的液 壓平衡，所述參考壓力從一初始壓力值變化到一最終壓力值， (a3)觀察所述壓力的變化，(a4 )通過抽取一第二容量的流體使所述井內的流體恢復液壓平 衡，所述參考壓力大致變化到所述的初始壓力值。
18. 根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，在所述步驟 al中，在各個測量序列下，所述界面被置於不同深度。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述地質構 造包括被所述井所貫通的多個物質的層，並且，在所述步驟al中， 在各個測量序列下，所述界面被置於面向不同的物質的層。
全文摘要
本發明提供了一種估量地質構造的物理參數的方法。一個通過地質構造的井被裝配有底部開口的管道，所述管道中充滿一流體。另一流體在位於所述管道和所述井壁之間的環形空間中，兩種流體在環形空間內呈現出一個界面。所述井中的流體的液壓平衡被擾亂且某些數據的變化走向被測量。這些測量數值還通過計算機使用不同組的值對物理參數進行仿真，且其結果被用來估量地質構造。將所述測量數值和仿真數值相比較，以確定出一組最佳數值成為可能。
文檔編號G01N13/04GK101592584SQ200910145698
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月15日 優先權日2008年5月16日
發明者丁漢·寶特·德·拉·薩庫姆, 安託萬·雅克, 皮埃爾·貝雷什蒂, 貝努瓦·博朗德 申請人:道達爾公司