永久井下共振源的製作方法
2023-07-26 19:09:21 2
專利名稱：永久井下共振源的製作方法
技術領域：
本發明涉及地震波的井下產生，用於調查或監測一個鑽井周圍的地球地層(formation)儲集層(reservoir)特性。具體地，本發明涉及監測從鑽井輻射進其周圍地球地層的地震能量的方法和系統。這些輻射進周圍地球地層(即在井孔結構中形成)的地震體波，被用於交叉井類型規劃和反垂直地震剖面(RVSP)類型規劃，以此來調查及監測在開採儲集層的開採期間碳氫化合物或者其他沉積礦物。
這是一套用於監測地下沉積礦物含量在其經濟壽命範圍內的分布以進行長期資源管理的系統。該系統採用在井孔結構中產生的壓力波，它是作為地震波被輻射進入周圍地球結構中的。那些通過位於鑽井與鑽井之間或者鑽井與地震傳感器之間的沉積物的地震波的選擇性品質的時間變動變化是礦物含量的時間上的變化的指示。
背景技術：
在油氣工業中，地球物理勘探技術廣泛地應用於尋找和評估地下沉積的碳氫化合物。一般地，地震能量源用於產生地震信號，該信號傳入地球且至少會被地下反射體(例如兩個不同聲學阻抗的地下地層之間的界面)部分地反射。反射波被一些地震探測器記錄，這些探測器可能位於或接近地球表面，或者在水體中，或者在井筒的某一深度位置。然後這些得到的地震數據經過處理後就可以得到一些有用信息，這些信息涉及地下反射體的位置和地下形成物的物理特性。
地球物理勘探用於發現地球結構，礦物沉積和礦物沉積(如石油，天然氣，水，硫磺等)的地下範圍。地球物理方法也可能用於監測沉積物的變化，例如在沉積物的經濟壽命內的礦物生產導致的損耗。地球物理研究的用途依賴於數量測量的能力和對與所考慮的礦物存在相關的巖石物理參數地球物理模擬參數的評估。
地震方法可能應用於開採管理監測及碳氫化合物儲集層的探測。正如地球物理學家熟知的，在多個源探測站的任何一個，位於或者接近於地球表面的聲學地震源以一定周期向地下輻射地震波。聲學地震源通常都是脈衝或者掃頻類型的。一個脈衝源產生一個非常尖銳的甚短周期的最小相波，並且一定程度上模擬一個脈衝的產生。爆炸是這種脈衝源的一個例子。
掃頻或者啁啾類型的地震源產生一個可控波列以形成一個相對較長(如2-30秒)的導頻信號以確保已經有足夠能量傳遞到地球中了。掃頻或者啁啾類型的源方法依賴於信號壓縮以便壓縮信號並保證足夠的垂直解析度以解決地下反射體的位置。信號壓縮一般叫做解卷積，有許多在地震數據處理領域熟知的方法。掃頻或者啁啾信號的解卷積將源信號壓縮到一個非常短的信號代表一個地下反射界面。解卷積技術的精確度以及有效性與源信號的被知曉或者被理解程度直接相關。許多解卷積算子起源於對實際源波形的統計計算。
掃頻類型地震源以在地震頻率範圍內有規律的增加(向上掃描)或降低(向下掃描)頻率的形式發射能量。除了向上和向下掃描，各種其他的掃頻信號形式在本領域是熟知的，例如所謂的隨機掃描，偽隨機掃描及非線性掃描。對非線性掃描，掃描高頻信號所需的時間會高於掃描低頻信號所需時間，以此補償信號在地球中傳播過程中的衰減，或者形成所需的小波。振動是被控制信號控制的，該控制信號可以控制地震信號的頻率和相位。
聲學地震波場向各個方向發射以穿透地下地球地層。輻射波場能量被反射回來，被位於指定位置的地震傳感器(接收器)探測到。這些傳感器可位於或者接近於地球表面，也可在地下，如在井孔中(在這裡也叫鑽井)。地震傳感器根據反射的波場，將機械的地球運動轉變成電信號。獲得的電信號在一個任意所需形式的信號傳輸鏈上傳輸到儀器中顯示為數字形式，在那裡這些地震數據信號被以存檔方式存儲等待下一過程。
地震源波場發射與接收器對反射的信號序列的接收之間的傳播時間推移可用於測量各自地球地層的深度，正是這些地層反射這些波場。反射波場的相對幅度可能是各自的地球地層的密度和孔隙率的函數(模擬的)，波場就是在這些地球地層中傳播以及被其反射的。反射波中的返回信號的相角和頻率可能會受地層液體，所找的礦石或者其他地層特性的影響。
經過加工的與單一接收器有關的地震數據一般表現為顯示巖層反射幅度的一維時間尺度記錄，這些數據一般是雙路波場傳播時間的函數。從許多連續分布於一定間隔(如25米)的測量線路上的接收器獲得的大部分地震軌跡可能會並排形成一個二維地球橫截面的模擬模型。從分布於考察的區域的許多測量交叉線上得到的地震截面提供了三維(3-D)圖像。在同一區域在連續的時間間隔(如每6個月)內測量的一系列的三維測量結果會構成一個四維(4-D)時間推移的地下問題研究結果，這些研究將會有利於監視諸如碳氫化合物的流體損耗速率等。
根據上述考慮，有理由期望時間推移地震監視，即在一個長周期中監視與沉積礦物如油或氣的碳氫化合物儲集層隨時間變化的地震數據的特性，可能允許監視流體或礦物含量的損耗，或者繪出時間變化映射，如在蒸汽驅油操作中的熱前的前進。
成功的時間推移監視要求處理的數據集之間的區別必須可歸因於沉積物的巖石物理特性的物理變化。該判據之所以如此嚴格是因為不可避免的多年長時間引起的獲取數據的裝置以及處理算法的變化有可能會在各自獨立的數據集之間引入差別，而這些差別是由於儀器的使用，而非儲集層的動態變化結果。
特別地，使用傳統表面勘探技術，在場條件如天氣和地物上的長期的環境變化可能會影響開採。如果時間推移的X線斷層攝影術或者地震監視能對定量碳氫化合物儲集層監視有用處，那麼並非由於儲集層特性導致的裝置和環境影響必須在地震數據集之前或之後都是透明的。成功的時間推移X線斷層攝影術要求仔細的預先計劃。
避免許多依賴於時間的環境變化及本領域更新的裝置變化的一個方法是在所研究的地震區域內部或者附近的一個或多個鑽孔中安裝永久的地震源及地震探測器。相同的處理數據的方法應用於整個監視周期中，該方法運用多交叉井(交叉孔)X線斷層攝影術而非傳統表面型場地震操作。一種這樣的方法公布於美國專利號為No.5,886,255，Aronstam，1997年11月14日，並轉讓給本發明的受讓人，該方法以參考文獻的形式合併與此作為多交叉井X線斷層攝影術的教導。
另一包含永久性井下地層的評估體系的鑽井描述見美國專利號為No.6,456,566，Aronstam，2000年7月21日。並轉讓給本發明的受讓人，它的所有內容以參考文獻的形式合併與此。『566專利教導作為地震能量源的最小鑽孔阻塞物的方法。
美國專利5406530，1995年4月11日，授權給Tokuo Yamamoto，教導一種無破壞性的測量沉積物物理特性以得到橫截面的多孔性及滲透性評價及變化的分布和剪切彈性係數及剪切張量分布的方法。一對鑽孔的相互入口之間具有預先確定的間隔，許多水聽器也放置於預先已知的位置。作為地震能量源的偽隨機二進位序列代碼產生器放置於另一個鑽孔中並且使產生並將偽隨機波能量從源傳到水聽器。地震波特性可以通過大量運用交叉井X線斷層攝影術從源散發到水聽器的途徑測量到。
Yamamoto教導主要直接用於淺鑽孔中，作為工程研究。這種鑽孔一般小於100米深，與油井相反。油井一般都有2000-5000米深。一個放置於鑽井中各種水平位置的活性源的必要條件存在一定的問題，因為該源可能會破壞鑽孔以及幹預開採。由於地震儀器必須在鑽孔中上下移動，那麼在一個很長的時間周期中保持相同的記錄條件是不可能的。
G.W.Winbow在1991年2月12日的專利號為US4993001的專利中描述了一種將井筒波轉變為應用於地震探測的井下的體波的方法和設備。該裝置包含一個產生掃頻井筒波的旋轉閥井筒波源，這些井筒波會注入井筒的或鑽井流體中。這些井筒波會被一個置於鑽井中選定位置的細長井筒波轉換器轉變成體波。井筒波轉換器包含一個更適宜充分填滿鑽井或管體的細長體，以及有一個合適的形狀以便在鑽井中選定的位置高效地將井筒波轉變成體波。該專利主要專注於反垂直地震剖面(RVSP)。Winbow承認，正如在本領域所熟知的，『鑽井中的不均勻性』導致了地震波模式的變化，而這種變化導致二級地震輻射以及相關的多重性。
Winbow採用一個單井筒波轉換器來提供單個直接源和反射地震波，但是它必須像在交叉井X線斷層攝影術中那樣，在沿鑽井向下的不同空間分離間隔處重複配置器件以得到延伸的垂直收斂。因此那組系統對於實現4維地震監視操作的固定持久儀器裝置需求的實現就變得很困難了。這一方案的另一缺點是需要非常高能量的管狀波，從而導致當管狀波進入鑽孔和撞擊孔底時形成強的背景噪聲。
另一種井下設備涉及美國專利No.4993001是由Winbow等人在美國專利No.5268537中披露的寬帶共振波井下地震源。該設備部分或完全用於阻擋鑽井以及產生一個流體填充的鑽孔腔。在腔中的流體是振動的以便建立一個持續的通過鑽井輻射進入周圍地層的壓力波。然而，該設備在高頻(高於1500Hz)能夠高效工作。而在低頻(低於1000Hz)，眾所周知更適合常規反射地震和X線斷層攝影術圖像工作。
由Kennedy等在1987年1月9日發表的美國專利No.4671379以及於1989年5月30日發表的美國專利No.4834210披露了一個系統，在該系統中，一個脈衝的能量源配置在兩個末端部分之間。鑽井流體佔據了這兩個末端部分的中間，並且這個脈衝能量源激勵該流體在這兩個終點之間的鑽井空間中產生振動。這兩個終點之間的距離隨著脈衝能量源的頻率而變化以保持該系統處於共振狀態。
在Kennedy的專利中，能量從表面通過與位於井下裝置上的旋轉閥相聯繫的盤繞進管提供給井下。鑽井中的一列流體被提供的能量激勵起來產生一個共振駐波。該過程的實現包括從兩個氣泡中隔離出流體以形成一柱狀流體以及激勵該列中的流體產生振動運動，這一振動運動與該柱狀流體相聯繫。這一流體的振動頻率等於由這兩個氣泡所確定的列的共振頻率。在這一發明的操作中，需要在共振頻率範圍內掃描旋轉閥以得到更多的關於地下的信息。為了該發明能夠執行一個頻率掃描並在該列中保持流體的共振頻率，在掃描過程中該列的長度必須變化以適應不同的頻率。該裝置通過在掃描過程中物理地移動氣泡來實現這一工作。為了保持該列為1/2波共振，在通過總共距離為100英尺的過程中氣泡被近似移動45秒掃描。該裝置必須保持共振以保證操作效率。
源很強並且不會導致鑽孔損壞。該專利聲稱，通過在該列流體的共振頻率上操作，該裝置提供了一個相對有效地能量源。然而，該方法存在幾個問題。第一，機械移動井下是必須的，因為源必須在該列的共振頻率處工作並且在不改變該列長度時不能改變共振頻率。為了改變該列的長度，該裝置必須包括相對複雜的井下儀器。像這樣的需要井下運動部分的系統對比所需是不太可靠的。修復的實施只能受在操作中由於把系統從鑽孔中移出導致的高代價的時間的影響。第二個問題是關於該裝置的掃描時間周期的。因為一次掃描構成了序列變化的長度。各個氣泡在一次掃描中必須行進的距離大約是50英尺(基於共振壓力駐波的半個波長)。因此，掃描需要一段較長的時間，大約45秒。對該系統而言，在數秒內進行短掃描操作是不可能的。而像激勵一樣作為脈衝源操作也是不可能的。
Kennedy等人的專利還描述了一個不改變序列波長的備選實施體。在該實施體中，膨脹的管套圍繞在端頭之間的管道周圍。這些管套會因空氣而膨脹，導致鑽孔流體中的儀器的可壓縮性發生變化。流體特性的變化改變了腔的共振頻率。然而，在該實施例中，該系統只能執行相對較長的掃描並且需要井下運動部分導致低的場可靠性。
對一個地震源系統而言，鑽孔中的一個持久固定的用於監視時間變化儲集層屬性如沉積礦物分布等是需要的。更可取的是該系統不會幹預或者破壞經濟資源的開採。此外，對於一個不但有意地應用產生的地震能量而且自然地利用鑽孔中產生的或者周圍的能量(如流體流動能量)，能夠轉變成輻射到鑽孔周圍的地層中的地震體波的系統，是需要的。
發明內容
本發明是一個在地層的碳氫化合物儲集層中產生地震體波的方法。所研究的碳氫化合物儲集層的參數指示信號通過許多地震探測器探測到。地震體波從至少位於鑽孔中一個共振腔中輻射出來並且橫穿地層。被不止一次探測到的橫穿地層和碳氫化合物儲集層的信號提供了所研究的參數指示信號。通過比較當前以及後一次探測到的指示研究的碳氫化合物儲集層的參數的信號，這些信號用來確定碳氫化合物儲集層的變化情況。
從如下的具體描述以及附圖，被確信為該發明的特徵的獨特性質，關於操作的組織和方法，以及其中的目的和有利效果，將會更好地理解。其中該發明通過舉例的方法被圖解說明。舉例僅僅是為了說明和描述，並非打算限制該發明圖1說明了一個流體流動源聲學腔共振器。
圖2A說明了用於聲學共振器的一個電子螺線管驅動源。
圖2B說明了一個聲學共振器，圖2的共振腔，其中設計的腔用於寬頻率共振發射。
圖3A說明了一個置於一個位於開採管道外面的鑽井中的聲學共振器。
圖3B說明了鑽井中的一個隔離的共振腔以及其截面圖。
圖4說明了一個用於寬共振頻率而成形的共振腔。
圖5說明了一個開採流驅動共振源。
圖6A說明了一個由雙填塞物形成的共振腔。
圖6B說明了一個特殊形狀雙填塞物的共振腔。
圖6C說明了一個雙填塞物的組合而形成的共振腔。
圖6D說明了一個填塞物位於套筒和地層外部的共振腔。
圖6E說明了一個特殊形狀的填塞物位於套筒和地層外部的共振腔。
圖7是本發明中用到的反VSP型規劃的示意圖。
圖8是本發明中用到的交叉井應用型規劃的示意圖。
圖9是本發明中用到的多交叉井應用型規劃的示意圖。
在描述該發明的時候將會與最適宜的實施例聯繫起來，但必須理解的是該發明並非僅僅局限於此實施例。相反地，本發明將覆蓋所有包含在該發明的精神與範圍之內的其他選擇，修正以及等價方法，該發明的精神與範圍將會在權利要求中說明。
具體實施例方式
該發明是一套為了長久的資源管理而用於產生和測量一個地震波場以得到地下沉積礦物在其經濟壽命上的含量分布的方法和系統。該系統採用在井孔結構中產生的壓力波。鑽井結構是在至少一個鑽井管之外的共振腔。該共振腔從一個裝置中接收壓力波，或者從一個與井中流體流率相聯繫的共振腔設計特性中發展地震波。共振腔中的壓力波在鄰近地層轉變成地震體波並從井中輻射出去。這些被傳感器探測到的地震體波會處理成地層中的相關的指示參數。
這些通過鑽孔之間或者鑽孔與地震傳感器之間的地震波的選擇的屬性的時間變化可能成為儲集層礦含量的時間上的變化的指示。基於以下具體的描述，該領域的技術人員將會了解其變化。以下具體的討論對於一個實施例或者該發明的一個特定應用，從這一方面來說，其目的僅僅在於說明性的，但並不說明該發明就局限於這一範圍。
正如在本領域熟知的那樣，鑽井開採系統包含管道。鑽井系統一般包括一個在地球中的井套筒。這個井套筒沿著井路把井裝置和開採儀器從地層中分離開來。套筒並不是總是存在於比如在有些井的井底。其他管道可能在套筒裡面而有時延伸到套筒下面，包括一個或多個開採管道柱(production tubing string)。其他一些管道可能傳輸流體、化學品並在表面和井下位置之間提供連接和能量管道。本發明的共振腔至少在一個鑽井管道結構之外。
本發明在鑽井中提供地震波源的目的在於現場成像。現有的鑽孔地震源作為鑽孔中的瞬時應用並且需要幹涉及破壞開採流。本發明為了在開採管道的外部永久裝備地震源，它相對於其輻射強度能夠用很小的功率。這種類型的信號源能夠用於實現一個場寬範圍的現場成像陣列。
『信號』作為一個術語用在這裡表示一個地震波形(如一個Ricker小波)的幅度，頻率以及相位的變動。該地震波形在時域中表示為時間坐標記錄。術語『震尾』表示傳遞給位於特定位置的鄰近的地層的地震體波地震能量。予特定的地震能量源點、共振腔或者微小鑽井阻塞物相聯繫的震尾將會是表示地震能量源點的地震特徵。術語『共振腔』包括充滿流體的任何形狀或者特性的腔膛，從這些腔膛中有地震能量散發出來。共振腔可能會包含多於一種流體。術語『微小鑽井阻塞』或者『鑽井非連續』或『非連續』表示在鑽孔中的任何形狀或特性的不規則性，於是通過鑽井的井筒波能量將會影響鑽井中的能量變為無規則性，並且因此而輻射體波能量到周圍地層中，同時繼續沿著鑽井傳輸和反射一些井筒波能量。術語『脈衝響應』表示儀器(地震傳感器和信號處理裝置)對一個針狀Dirac函數或者脈衝的響應。地震傳感器所接受的聲波場的能量依賴於巖層的質地。無論是垂直方向或者水平方向，波場都在這些巖層中傳播，或者被這些巖層反射，或者其他一些聯繫。術語『質地』包括巖石性質參數如巖石的類型、組成、多孔性、滲透性、密度、流率、流體類型以及晶粒間粘性等，這些只是舉例說明，而事實並非局限於這些。
為了解釋或者明白起見，本發明的方法將會用一個鑽井和地表中有接收器的交叉井X線斷層攝影術例子來描述，但並非是一個限制。該方法將會應用於任意的多通道數據記錄幾何構型或者採集方案，其中地震傳感器可能在地下，或者鑽井中，或者在地表或者接近於地表。
在儲集層的經濟壽命範圍上，碳氫化合物儲集層的變化將會通過地震體波的特性或屬性的時間上的變化表示的參數變化而探測到。研究的參數可能是探測到的通過儲集層的地震體波的任意地震屬性，單獨的或組合的。地震屬性在該領域是非常熟知的。一些屬性的例子包括地震阻抗、幅度、擴散、頻率、相位、極性、速度、傾向、方位、波包等。
從各個共振腔中輻射出來的體波將會產生一個唯一的源特徵。源特徵與源行為及資源產生相聯繫。這些源特徵將會被接近於共振腔的傳感器直接測量到，或者被離共振腔一定距離的傳感器探測到。此外，體波的源特徵可能從各個井的已知參數結合與沿開採柱測量的井筒波而得到。
與特定的共振腔相聯繫的源特徵(震尾)將是針對該地震能量源點的地震特徵。然而，如Aronstam在美國專利No.6456566中披露的那樣，微小鑽井阻塞物從鑽井中輻射體波(P波和S波)。『566專利的方法和系統可與本發明的共振腔方法和系統相聯繫，使得由地震傳感器記錄的震尾包括從共振腔中輻射的以及微小鑽孔阻塞物的信號貢獻。
在一個優選的實施例中，一個接收器被置於接近於共振腔的位置以記錄與共振腔有關的源特徵。然而，有許多其他的用於確定和測量信號的方法，並且也不要求接收器為每個地震源直接測量源特徵。一個傳感器可能降低在一個環形空間，然後一個導頻信號可以被直接記錄下來。舉例來說，在一個輕質光纖光學傳感器會被用於記錄數據而同時對穿過的地震能量存在一個忽略效果。
作為選擇，接收器陣列(它可以置於地面上或者任意位置)記錄的波束操縱可能會用於確定沿著鑽井方向的地震源諧振器的位置和信號。波束操縱是一種通過延遲連續通道從一個特定方向或者特定位置加強能量的方法，使得某一個傾角時差(表觀速度)的事件發生在同一時間，然後對它們求和。波束操縱包括通過與信號源之間的距離成比例的數量來時間位移來自單信號源的結果，並相加這些結果以導向波束。波束的方向性可以通過改變時間推移加以改變。這一過程可以對一連串的不同的地震源位置進行重複。
複雜的和任意形狀的共振腔會設計出來以增加源特徵的可變動性，以及改變輻射信號的有效帶寬和頻率特性。共振腔在鑽井的環域中。在優選的實施例中，腔圍繞著一個鑽井環結構。本發明提供的共振腔可以是非對稱的或者任意形狀。共振腔可以設計成將一個寬範圍的頻率發射進入鄰近於鑽井的地層中。為共振腔聲學源提供的能量可以是自然的流率和/或是開採管道中的壓力變化。
一旦信號已知，地球就可以通過前面討論的方法成像出來，例如從源特徵中。雖然源特徵可以推導出來，但在某些採集條件下，t0(源初始時間)對於一些研究的參數來說可能是未知的。對於地震衰減成像，由於只需要在時間上的頻率包絡衰減以創造圖像，因此t0是不需要的。如果尋求基於時間的重構，那麼在單個井甚至運用多井源頭運用測得的壓力或聲學能量的交叉相關，初始考時間參考的確定就可以完成。如前所討論的，另一個備選方法可能是在一個井中持久應用一個或多個傳感器來確定參考時間t0。
每一個共振腔都可以是一個能量輻射源點，它們對輻射進入鄰近地層的聲學能量具有唯一的波形。一個傳感器用來記錄這一產生的波形。伴隨著記錄的地震波場從鑽井離開，每一個震尾然後都被解卷積，例如利用在另一個鑽井中或者在低平面上或者在海平面上的地震傳感器，使用交叉相關。
圖1圖示說明了一個共振腔是如何被用於與一個鑽井開採柱101結合的。為說明需要，鑽井在一個隨機的方向上包含有流體流117。共振腔103能夠用於產生並發展共振能量。共振腔103是一個能夠在其內部建立駐波的腔體。這些駐波的頻率依賴於腔的體積，幾何形狀和維度以及任何孔徑的尺寸。
對任何一個腔而言，有兩個確定其基本頻率的變量。第一個變量是物理尺寸。一般而言，腔越小，共振頻率越高。第二個控制因子是腔的形狀。任何完成的封閉的傳導表面，不管它是什麼形狀，都可以作為共振腔。一般而言，一個腔的共振頻率可以通過改變以下三個參數的任意一個參數而改變，這三個參數是腔體積，腔電容和腔感應係數。改變一個腔的頻率稱為調諧。
一個任意類型和任意類型的鑽孔的開採柱部分101可能包含工具，阻塞物(如104)或者其他可以把流動流體能量轉換成壓力能量的部分。例如，一個氣體升降機或者氣體開採系統可以修改成在開採管道P1和P2中具有開口，通過一個旋轉閥109與共振腔處於壓力聯繫狀態。一個流體柱，如由地下地層流體自然形成的，能夠通過一個孔徑105與共振腔處於壓力聯繫。流體和流體壓力會通過一個出口孔徑107離開共振腔，這可以是一種流體平衡埠，以保持共振腔中的平均壓力，使得壓力保持為P1附近的壓力水平。出口孔徑107會導致氣線111。旋轉閥109可以用於控制或者初始化頻率，而共振腔可以通過開採管道從流體流中接收到這個頻率。
作為選擇，如圖2A所示，對於一個開採柱201，一個共振腔203會通過備選的驅動機構電子螺線管209裝置接收到壓力脈衝。雖然圖1中的共振腔103和圖2中的共振腔203為正方形，但可以理解，改變共振腔的幾何形狀可以比正方形共振腔通常的能力在一個更寬泛範圍內得到更均勻寬闊的頻率響應。圖2B表示圖2A中的開採柱201的構型，其中共振腔207的形狀允許輻射一個更均勻的寬的共振頻率。
一個共振腔通過注入壓力脈衝而產生共振，該脈衝的頻率與共振腔的長度、寬度或者其他幾何屬性相匹配，並且因此而產生可以從腔中輻射到包圍井的地層中的共振。可以採用各種各樣的裝置在共振腔中將流量能量轉變成壓力能量。圖1中的旋轉閥109為共振腔室將開採的流體流能量轉變成壓力能量。圖2中的電子螺線管209從表面將電能轉化為壓力能量，並且導引這些能量進入腔裡面。旋轉閥109或者電子螺線管209的激活速度是共振腔輻射進入地層的信號的頻率的函數。可選地，一個泵浦可以作為與旋轉閥或者螺線管相結合的設備，或者作為單獨將流體流壓力能量注入共振腔的設備。共振腔103、203或者207可以有一個可選的壓力端P3，它可以允許腔內的壓力平衡。共振腔中的地震源壓力能量可以圍繞某些平均值展開，或者壓力漲落可以表現為從某些腔中的常壓或背景壓力中增加或減少。
如圖3A和3B中表示的，這一概念被推廣為共振腔303，它是同心的，但是在開採井中的開採管道301的外部。現有技術(Winbow，美國專利5268537)顯示，通過改變共振腔的形狀可以支持一個寬範圍的頻率而不用機械地改變腔。這一原則也可以應用於圖3A和圖3B所示的共振腔303。為了避免不適當的應力或者輻射能返回到開採柱中，圖3B顯示，用於開採柱301的一個隔離區或者厚壁管道305可以應用於共振腔303的區域。
共振腔303的外表面307有一個相對較薄的壁(與厚壁管道或者隔離區305比較)以允許地震能量能容易的輻射進地下地層中。共振腔303的側視圖如圖3B所示，它位於外共振腔壁307和內隔離壁管305之間。這些共振源能夠產生P和S波能量。一個壓力控制機構309可以用來控制或激發流體壓力能量進入共振腔303，它可以稱為激發工具，可以是一個閥、螺線管或者泵浦。
為了產生和驅動這種類型的外部同心腔，存在幾種變型。如圖4表示一個共振腔403，它的一個長度f1沿著共振腔403的外圓周407，另一長度f2沿著鄰近於開採柱管的內邊。在外圓周的中間部分和共振腔之間是線性變化至腔內側的錐形結構，但是也可需要其他的形狀。大體上與403相似的共振腔可以設計出來並用來產生一個位於高頻和低頻之間的最強的頻率，相對較高的頻率由長度f1確定，而相對較低的頻率由長度f2確定。旋轉閥、泵浦或者螺線管的速度可以被改變以瞄準這些相對頻率範圍使得來自共振腔的輻射達到最大的共振能量。另一個例子表示在圖2中，其中共振腔207的形狀允許一個寬的共振頻率響應。
如圖5所示，如果開採流具有足夠的能量以致流量能量與節流門發生了相互作用，則共振腔可以用一系列接近於或者位於井孔開採流附近的埠和節流門(baffle)505來驅動。通過改變流體流經過開採管道和/或共振腔，可以產生一定範圍的頻率。另一實施例為鑽井流體完全隔離共振系統和應用氣體提升系統部件來驅動系統(如圖1所示)。這可以提供一個高頻源，這在某些安裝中是合適的。
如圖6A所示，可以通過適當間隔填塞物605，而在內鑽井管道301和外鑽井套筒607之間產生一個外腔603，它一般用於隔離井中的開採區與環空間。這裡，填塞物605鄰近腔體以提供與其餘的圓環井管設備分開。填塞物一般用於改變或者增強共振腔603的信號特性，如圖6B所示。在這裡，具有特定的或隨意形狀的特殊填塞物稱為『特定形狀』填塞物606可以用於形成特定形狀的共振腔例如為共振腔提供完全或半駐波的能力。其他位於共振腔附近的特定形狀的填塞物可以實現特定範圍的頻率或者用於寬的從腔中輻射出來的地震體波的頻率。圖6C說明了一個傳統填塞物605與特定形狀的填塞物606的結合體因此形成來自共振腔室603的半駐波型響應。
當圓環(套筒與巖石地層之間的間隙)用位於腔端部的填塞物密封以後，一個共振腔可以在外井孔環和鑽孔地層之間實現。如圖6D所示，當共振腔613包括井套筒607與井地層617之間的間隔時，開採管道301不必是共振腔的一部分。共振室613可以在鑽井套筒607的外面，在那裡，填塞物605在套筒之外並且地層617是共振室的一部分。圖6E說明了一個位於井套筒外的共振室用特定的填塞物606作為共振室形狀修改。這些類型的共振腔或者被主動方式或者被被動方式驅動(未示出)。
本發明可能會與反VSP型規劃一起使用，如圖7示意。一個井761有共振腔(或共振室)701，703和705，體波從這些腔中輻射到周圍的地層中。起源於共振腔703的用線表示的體波能量可能直接傳遞到地球表面740，在那裡，傳感器711接收到這些能量。起源於例如共振腔703的體波能量可能反射或折射到地球的地質界面750。當一個地質學界面被顯示，但應當理解，地球包含了大量數目的可以對地震能量作出響應的地質學界面。體波能量可能從任意一個共振腔701，703，705中發射出來，這些共振腔也可能有相聯繫的傳感器以直接測量從任意其他源點接收的相關的源特徵、波形或地震能量。本領域中已知從這些不同的源中分開信號的各種方法。
本發明中也會採用交叉井類型規劃，如圖8所示。源井861可以包括共振源801，803，805和807。一個交叉井規劃至少有一個接收器井863包含接收器811，813，815，817，819和820。源於共振腔803的線顯示了一些可能的波路。體波能量可能直接傳播到另一個並中的接收器811，813，815和817上。在被接收器815，817，819接收之前，體波能量會在地下被地質界面850反射或者折射。正如在本領域中熟知的，傳播介入地層的包含有用信息的許多其它體波路會在交叉井類型規劃中被傳感器接收。
交叉井類型規劃也可以是多井規劃，從而許多鑽孔(多個井孔)會被同時用於記錄從源井963中發射出來的體波能量，如圖9所示。例如，源井963包含源點906，907，908和909，例如這些都是共振腔源。接收井961，965包含分別沿著井孔901到905，911到915的接收器。如圖8例子所示，一些或者每一個接收器可以與接收井中的接收器相聯繫，因為接收井可能也作為源井。例中的體波路被顯示源於源點907。波傳播路徑可能正如所示的，在源井963和接收井961之間是直接的。波傳播路徑可能是地質學界面950反射的能量的組合，直接路線顯示為由源井963發射而被接收井965接收的能量。
在接收器或者聲學傳感器接收了信號以後，本領域熟知的信號處理方法將被用於處理信號。這些方法將會應用處理器如計算機和本領於熟知的算法，例如交叉井方法。
如前述例子所證明的，該方法會在幾個時間周期上用於任意時間點的碳氫化合物或其他沉積礦物的評估，並且會作為一個管理方法正在進行的部分和監視開採的儲集層。傳入鑽井之間地層中的聲學波的選擇的屬性隨時間的變化是礦物含量隨時間變化的指示。本發明考慮了油、氣或其他沉積礦物在開採周期中的開採和資源管理的不變的或周期性的評估。碳氫化合物在開採中的遷移，碳氫化合物在操作過程例如二次回收中的遷移，蒸汽驅動前進，水滲入油井或天然氣儲集層等等都是儲集層處理的例子，可以通過該方法進行隨時間的監視。分析方法包括斷層X光攝影裝置重建和繪圖表示在地層中的流體界面位置。
本領域技術人員知道，在此作為例子描述的用於產生和測量地震波以及監視底下沉積礦物的系統和方法不是局限於所描述的實施例的。更進一步，該發明也不是局限於前面上述地作為描述目的而給的例子。各種各樣地改進和備選可以很容易地被本領域地技術人員提出而不偏離該發明地實際範圍，這些範圍如權利要求書所描述。
權利要求
1.一種在地球地層中產生地震能量的井孔系統，包括(a)包含流體的腔，所述腔放置於井孔管道和井孔地層之間；和(b)在所述腔中產生壓力波的裝置，所述壓力波產生在所述地層中的地震波。
2.權利要求1中的井孔系統，其中在所述地球層中產生地震波的壓力波在所述腔的共振頻率下被產生。
3.權利要求1中的井孔系統，其中在所述腔中的流體至少是i)液體和ii)氣體中的一種。
4.權利要求1中的井孔系統，其中所述裝置將能量轉換成所述的壓力波至少是i)井孔流體流動能量和ii)電能中的一種。
5.權利要求1中的並孔系統，其中所述裝置至少是i)旋轉閥，ii)電子螺線管振蕩器，iii)泵浦和iv)鄰近與流體流動的節流門中的一種。
6.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔的共振頻率由所述腔的幾何結構確定。
7.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔的共振頻率由所述用於產生壓力波的裝置的頻率確定。
8.權利要求1中的井孔系統，其中所述用於產生壓力波的裝置在一個預定的頻率的範圍內被激發以產生一個掃頻信號輸入。
9.權利要求8中的井孔系統，其中所述掃頻信號輸入至少是i)向上掃描，ii)向下掃描，iii)非線性掃描，偽隨機掃描和iii)隨機掃描中的一種。
10.權利要求1中的井孔系統，進一步包括地震傳感器以記錄產生的地震波。
11.權利要求1中的井孔系統，進一步包括一個鄰近所述腔的地震傳感器。
12.權利要求1中的井孔系統，進一步包括在多個井孔中的地震傳感器。
13.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔被成形為為所述地球地層中的所述地震波提供一個寬頻率信號。
14.權利要求1中的井孔系統，其中在所述地球地層中的地震波至少是i)P波，以及ii)S波中的一種。
15.權利要求1中的井孔系統，其中在所述腔中產生的壓力波的共振頻率與所述腔的形狀相聯繫。
16.權利要求1中的井孔系統，進一步包括鄰近所述腔的特定形狀填塞物。
17.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔在井孔套筒的外側。
18.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔在井孔開採管道的外側。
19.權利要求1中的井孔系統，其中所述腔在井孔開採管道和井孔套筒之間。
20.權利要求1中的井孔系統，進一步包括一個壓力平衡埠。
21.一種在地球地層中產生地震波的方法，包括(a)使用包含流體的腔，所述腔放置於井孔管道和井孔地層之間；以及(b)以一種裝置在所述腔中產生壓力波，所述壓力波在所述地球地層中產生所述地震波。
22.權利要求21中的方法，其中在所述腔中的流體至少是i)液體，以及ii)氣體中的一種。
23.權利要求21中的方法，其中所述裝置將井孔流體流動能量轉換成所述壓力波。
24.權利要求21中的方法，其中所述裝置將電能轉換成所述壓力波。
25.權利要求21中的方法，其中所述裝置至少包括i)旋轉閥，ii)電子螺線管振蕩器，iii)泵浦，以及iv)鄰近於流體流的節流門中的一種。
26.權利要求21中的方法，其中井孔流體流過所述腔。
27.權利要求21中的方法，進一步包括地震傳感器以記錄所述產生的地震波。
28.權利要求21中的方法，進一步包括鄰近所述腔的地震傳感器。
29.權利要求21中的方法，其中所述腔的共振頻率由所述用於產生壓力波的所述裝置的頻率確定。
30.權利要求21中的方法，其中所述用於產生壓力波的裝置在一個預定的頻率範圍內被激活以產生一個掃頻信號輸入。
31.權利要求21中的方法，其中所述腔被成形為為所述地球地層中的地震波提供一個寬頻率信號。
32.權利要求21中的方法，其中所述壓力波的共振頻率與所述腔的形狀相聯繫。
33.權利要求21中的方法，進一步包括鄰近所述腔的特定形狀填塞物。
34.權利要求21中的方法，其中在所述地球地層中的所述地震波至少是i)P波，以及ii)S波中的一種。
35.權利要求21中的方法，其中所述腔在井孔套筒的外側。
36.權利要求21中的方法，其中所述腔在井孔開採管道的外側。
37.權利要求21中的方法，其中所述腔在井孔開採管道和井孔套筒之間。
38.權利要求21中的方法，進一步包括通過用地震傳感器在至少一個處在或接近表面位置的位置記錄所述地球地層中的地震波來獲取地震數據。
39.權利要求21中的方法，進一步包括通過用地震傳感器在第二井孔中的至少一個位置記錄所述地球地層中的地震波來獲取地震數據。
40.權利要求21中的方法，進一步包括用多個地震傳感器記錄所述地球地層中的地震波；所述記錄的地震波響應所關心的參數；並且處理記錄的地震波以得到關於地球地層的信息。
41.權利要求40中的方法，進一步包括從記錄的地震波來確定震尾，和用所述震尾對所述記錄的數據解卷積。
42.一種監視在地球地層中的碳氫化合物儲集層的方法，包括(a)以一種用於在井孔管道和地球地層之間產生壓力波的裝置在一個腔中產生壓力波，所述壓力波在所述地球地層中產生所述地震波，所述地震波橫穿所述地球地層；(b)探測指示所述碳氫化合物儲集層的所關心的參數的信號，使用多個地震探測器記錄從包含流體的一個腔中輻射出來的地震體波，所述腔處於所述井孔管道和井孔地層之間的空間中；(c)在一個後來的時間上重複步驟(a)和(b)以在所述後來的時間上提供指示所述碳氫化合物儲集層的所關心的參數的信號；以及(d)通過將指示所述碳氫化合物儲集層的所關心的參數的信號與在所述後來的時間上的所述碳氫化合物儲集層的所關心的參數進行比較，來確定所述碳氫化合物儲集層的變化。
全文摘要
用於在地層中產生地震波的井筒系統和方法。該系統包括一個裝有流體的腔。該腔被置於可以是套筒或者開採管道的井孔管和井孔地層之間的空間中。一個裝置置於這個腔中以產生與腔的共振頻率相同的壓力波。該壓力波產生地震波，然後地震波輻射到鄰近的地層中，最後被記錄下來。記錄下來的地震波會被用於確定所研究的地層的參數。
文檔編號E21B33/12GK1748156SQ200480004050
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月11日 優先權日2003年2月14日
發明者比德·S·阿羅恩斯塔姆 申請人:貝克休斯公司