采用声波的实时完井监测的制作方法

专利名称：采用声波的实时完井监测的制作方法
技术领域：
这里公开和教导的本发明一般涉及地下井监测的领域，更具体地，涉及用于实时 声学监测完井和周围的地下区域的方法和系统。
背景技术：
完井处于深水生产的中心并且构成井总成本的很大的一部分。在它们的设计中投 入大量的多学科的努力。这与很少信息可用于检测问题、优化流入物并防止昂贵的重做的 生产阶段形成显明对照。砂筛堵塞、不充分的充填、筛子中的“热斑”的发展、环形填塞的失 稳、细料迁移、近井筒损伤、窜流、差异衰竭、区域化、压实代表仅基于几个永久的压力和温 度计极难解读的挑战的典型的列表。可通过生产测井来识别许多问题，但这成本昂贵并且 不是实时的。置于砂面上的永久的压力和温度传感器可提供用于诊断完井问题的关键信 息，并且，服务业正在开发使得这些感测在将来可行的工具。但是，由于表征保持不被我们 的数据约束的复杂的完井和储层的参数的数量众多，因此这些新的压力和温度数据不可能 导致以上问题的明确识别。例如，在墨西哥湾中存在碳氢化合物生产井运行不佳的问题。“井性能”引起诸如 区域化以及进一步包括完井、穿孔和近井筒效应的局部井皮的随时间变化的大量的储层问 题。因此，可给予问题多种解释。明显的区域化和普遍存在的U形状边界可以是“储层”尺 度的一个答案。然而这些边界很少被4D波震或其它的数据确认。页岩覆盖是可导致井性 能不佳的另一储层级情况。另一井筒级解释建议井生产率由于所谓的“kh”产物的损失而 随时间下降。这里，k和h相应地为储层渗透率和厚度。虽然流动损害的确切机制仍存在 争议，但是差异衰竭模型认为出现该损失主要是由于制造厚度的减小。类似地，渗透率的降 低是另一替代性的解释，尽管该减小量(85 90%)与实验室测量不一致。现有的很少的 来自井的数据可支持这些情况中的任一种，从而确认该问题是受到约束的。为了区分这些 相当不同的情况，需要可明确地表征制造系统的各部件的各尺度的更多的井下数据。在深水完井的背景中，尽管管理制造的砂子在存在一些颗粒-颗粒粘固的其它的 地点可以很好地工作，但是，由于它对于墨西哥湾一般是成本高并且在大多数情况下是不 可行的方案，因此对于砂子控制存在另外的侧重点。储层和井眼之间的砂子控制介质的存 在引入了附加的成本、复杂性并且需要适当的管理。目标是对于储层的寿命足够耐用以控 制砂子制造的方案，从而避免损害和对于任何干涉的需要。为了跟上不易于出现问题的砂子控制系统，必须首先理解现有问题的根本原因。一旦问题被完全理解，那么智能的、即时的干涉或补救可变为可能。深水井装置(砂筛等)和干涉的高成本可证明存在在其它的环 境中不经济的智能监测工具的合理性。另外，监测工具优选需要在服役寿命内持续。

发明内容
本发明提供用于监测诸如砂筛的井下可渗透设备的系统和方法。根据一些实施 例，一种用于监测穿过井下设备的流体流的方法包括a)在设备中的流体中提供声学管 波；b)在声学管波穿过设备中的流体之后测量该声学管波；和C)通过测量声学信号的衰减 来评价设备的渗透率。声学信号的速度的变化也可被测量。设备可以是井下可渗透设备，并且，步骤C)还可包括通过在管波穿过设备时检测 管波中的衰减的减少或速度损失的减少中的至少之一来确定设备至少部分被封堵。设备可以是砂筛，并且，可通过使用在井眼中布置的多个传感器进行步骤b)中的 测量；并且传感器可以是光纤传感器。该方法还可包括使在第一接收器上接收的信号与在 附加的传感器上接收的信号互关联以获得如同信号从所述第一接收器的位置上的源发射 的有效响应的步骤。步骤c)还可包括通过检测穿过设备的快管波在低频上减慢但在高频上加速来确 定设备不被封堵；通过测量快波并检测350 700Hz的频率范围上的所述快波的相对强的 衰减来确定设备不被封堵；或通过检测具有降低的振幅和速度的已转变成复杂波包的慢管 波来确定设备不被封堵。该方法还可包括通过检测具有相对高的衰减程度的频带并将所述 频带的频率与不同的测量中的具有相对高的衰减程度的频带的频率相比较来确定设备的 相对渗透率的步骤。在其它的实施例中，本发明提供一种用于从含烃地层生产碳氢化合物的方法，该 方法包括通过井下可渗透设备生产碳氢化合物并且通过使用这里描述的方法监测穿过设 备的流。本发明包括通过提供评价在砂筛和砾石填充设备中出现的渗透率的变化以及通过 使用声波评价单独的穿孔的能力实时监测完井的系统。这是允许监测结构完整性(静态变 形)的诸如在美国专利第6854327号中公开的其它井内监测方法的补充。本声学监测方法可用作砂面的质量的永久安装的监测器。声学监测方法恒定地进 行砂筛及其环境的主动检查和储层的被动监测。作为永久监测的自然输出，跟随早期的检 测和适当的诊断，使得可以在问题失控之前传输适当的处理(重做)。永久的监测还可用作 保证昂贵的完井和砂子控制设备及井眼本身的附加的保证。另外，诸如这里描述的方法可 传输新数据流，这些数据流可增强其它的砂筛和完井问题的理解并最终有助于适当地解决 许多“井性能不佳”问题。在这里公开并在这里教导的本发明针对实时声学监测完井和砾石填充的方法和 应用。根据本公开的第一实施例，描述用于通过使用恢复流体从含烃地层增强碳氢化合物 的恢复的方法，其中，该方法包括实时声学监测完井的稳定性和/或渗透率。本发明的其 它实施例包括在描述监测砂筛完井的稳定性的同时从含烃地层生产碳氢化合物的方法，其 中，该方法包括通过在生产过程中使用声学模型来实时声学监测完井。在本公开的另一实施例中，用于在钻井或井维护操作中或在生产或增强的恢复操 作中或在砂筛完井中维持井筒的稳定性和渗透率变化的方法。本方法可包括使用引入井筒中的流体以有利于所描述的操作。本方法的其它实施例可包括产生实时声学监测模型；通 过使用声学管波监测井筒以监测井筒的变化；根据维护或增强操作中的生产渗透率的需要 连续更新模型并在实时的基础上连续调整流体的性能。


以下的附图形成本说明书的一部分，并且被包括以进一步表明本发明的某些方 面。通过结合这里给出的特定实施例的详细描述参照这些附图中的一个或更多个，可以更 好地理解本发明。图1示意性示出使用储层的模型的声波的渗透率的效果。图2示意性示出下套管的井眼中的砂筛完井的横断面。图3示意性示出用于模型化水平井中的砂筛完井的实验流动回路装置。虽然可对这里公开的本发明提出各种修改和替代形式，但是，仅在附图中作为例 子表示并在以下详细描述几个特定的实施例。附图和这些特定的实施例的详细描述不是要 以任何方式限制本发明的概念或所附的权利要求的广度或范围。而是，向本领域技术人员 提供附图和详细的描述以示出本发明的概念并使得他们能够理解并利用这些发明的概念。
具体实施例方式可以理解，这里使用诸如但不限于“一个”的单数术语不是要限制项目的数量。并 且，使用诸如但不限于“顶”、“底”、“左”、“右”、“上部”、“下部”、“下”、“上”和“侧”等的关系 术语被用于书面描述以清楚地具体参照附图，并且不是要限制本发明或所附的权利要求的 范围。另外，在本描述中，使用表示给定点或元件上或下的相对位置的术语“上”和“下”、 “向上”和“向下”、“上游”和“下游”和其它类似的术语以更清楚地描述本发明的一些实施 例。但是，当被应用于供偏斜或水平的井使用的装置和方法时，这些术语可指的是左到右、 右到左或一些其它的适当的关系。各单数元件的讨论可包括多个元件，反之亦然。本发明的一个方面是，在井中使用诸如声传感器的传感器，以监测在井中执行的 操作或监测井下工具、系统或设备的各方面。本发明的其它方面包括控制线路的路线和砂 控制完井中的传感器设置。作为例子，本发明可被用于穿透包括生产性地层的地下区域的 井筒。井筒可包括已用水泥粘合的套管。套管可具有允许井筒的内部和生产性地层之间的 流体连通的多个穿孔。本领域技术人员已知，诸如砂控制完井设备的井工具可位于要被砾 石填充的生产性地层相邻的套管内。如这里使用的那样，术语“筛子”指一般在砂筛中使用的绕丝筛管、机械型筛和 其它的过滤机构。筛子一般具有其中设置过滤介质(例如，绕丝、网孔材料、预包装材料、 多个层、编织网、烧结网、箔材料、卷绕的割缝板、卷绕的穿孔板、由Schlumberger制造的 MESHRITE或用于产生复合过滤介质的这些介质中的任一种的组合等等)的穿孔的中心管， 以提供必要的过滤。可以以任何已知的方式(例如，激光切割、喷水切割和许多其它的方 法)制造过滤介质。砂筛需要具有足够小的开口以限制砂砾石流动，常具有60 120目的 范围的间隙，但可以使用其它的尺寸。筛子元件可被称为筛子、砂筛或砾石填充筛。许多一 般的筛子类型包括筛子部件包围的从穿孔的基管或中心管偏移筛子部件的隔板。隔板在筛 子部件和基管之间提供流体流动环。对于本领域技术人员来说，各种类型的筛子是公知的。注意，将在以下的描述中讨论其它类型的筛子。并且，可以理解，例如割缝管子的其它类型 的中心管的使用仍在本发明的范围内。另外，一些筛具有沿它们的长度或其一部分没有被 穿孔的中心管，以便以各种方式或出于其它的原因提供流体的路由。申请人:提出用于通过使用声波实时声学监测砂筛完井的高度有效的方法和系统。 这些方法和系统可被用于监测完成的井眼中的各种变量，包括跨过完成的地下区域的渗透 率和渗透率的变化。图1是通常用于有线线路声波测井环境的穿过不可渗透地层20的开口井眼10的示意图，在该不可渗透地层20中，存在填充流体的多孔的可渗透材料的层30。在该环境内， 管或斯通莱(Stoneley)波12是从零频率存在的基本轴对称模式。在低频率下，它代表流 体柱的活塞式运动并且主导波传播。当地层剪切速度如在不可渗透地层中那样比流体速度 (“快速地层”)大时，管波被完全捕获-在不可渗透地层中不衰减的模式。当管波遇到诸 如可渗透区域30时，由于在地层和井筒之间存在流体连通，因此它慢下来并且衰减。该连 通导致地层内的泄漏的慢毕奥(Biot)波的形式的能量损失。模型预测，在低频下，随着流 体流动性(渗透率/粘度)的增加，管波速度将降低并且衰减将增加。这些预测已在实验 室中得到确认并且成为从有线线路测井估计原位渗透率的“直接”和连续技术的基础。泥 饼的存在限制流体连通并且使得管波特征对于地层渗透率不敏感。在有限的硬泥饼的情况 下，井眼和地层中的流体压力变得完成无关；管波不经受衰减并且慢下来并以与井被不可 渗透地层包围的情况相同的方式传播。除了周围的地层的渗透率对于管波的影响，具有不同的渗透率的地层之间的边界 也导致反射的管波。当通过使用在两个不可渗透的半空间之间嵌入的可渗透储层的简单模 型来模拟渗透率的变化的影响时，可以看出，由于该层和半空间之间的管波速度的不匹配， 因此存在一些反射。模拟中的层渗透率的增加导致管波反射率的急剧增加，特别是在低频。 反射率的增加是由于流体连通的增加；更大的可渗透地层导致层内的管波速度的更大的降 低，因此，导致控制反射的性能的更大的对比。如果流体连通被(例如，硬泥饼)终止，那么 所有响应衰弱到与不可渗透的弹性的情况对应的黑色曲线。这强调，当存在流体连通时，管 波特征仅受到影响的事实。对于部分流体连通，响应会落于弹性不可渗透的和相应的畅喷 的多孔弹性的方案之间。我们发现，管波能够即时测试跨过特定层内的井眼壁的流体连通的有或无。如果 由于存在泥饼或缺少地层可渗透率而不存在流体连通，那么观察到速度降低或衰减。如果 存在流体连通，那么观察到速度降低和衰减。类似地，在反射配置中，增加的流体连通导致 更大的反射。在下面的部分中，我们示出这些原理对于具有砂筛完井的下套管的完成的井 眼的应用。下套管的和完成的井眼下套管的和完成的井在地层和井眼流体之间具有几个层。如图2所示，在砂筛的 下套管的完井的简化模型中，一般存在以下的同心圆柱层充以流体的井眼10、砂筛14、砂 砾石16、套管18和地层22。套管中的多个穿孔24用作通过套管18连接井眼10与地层 22的连通通道。在裸眼完井中，不存在套管和穿孔，并且，地层流体直接通过砾石填充和砂 筛与井眼连通。砂筛和砾石填充防止储油砂层迁移到井筒中以及保持井筒周围的储层的结 构。
该完成的井的更复杂的模型与简单的裸井模型具有一个基本的相似性，S卩，在自 喷井中，跨过完井的所有的层存在流体连通。在任何中间层(筛子或穿孔)中缺少流体连 通将改变储层流体流入井眼中。
如以下讨论的那样，我们已经发现，跨过砂筛或穿孔的减少的或流体连通对于穿 过井眼的相关部分的管波的特征具有可测量的影响。因此，本系统和方法可被用于监测包 括但不限于砂筛和穿孔的套管的井下可渗透设备是否允许期望的流动水平或者部分或完 全被封堵。只有放置足够的传感器以提供必要的分辨率，本系统和方法就可被用于定位和 量化井下可渗透设备的封堵程度。我们还发现，本系统和技术可被用于监测诸如砾石填充 过程的流体流动的速度和模式改变的动态系统。在裸井和砂筛完井之间存在明显的声学差别a)后者具有砂筛或套管(均由钢制 成)的附加的固体层；b)在裸井模型中仅存在单一的多孔弹性层和单一的分界面，而在砂 筛完井中，存在多个多孔弹性层(穿孔的套管、地层、砂砾石和砂筛)和它们之间的多个多 孔弹性分界面；c)砂砾石和砂筛与储油岩石大大不同，原因是它们是非常可渗透的(渗透 率> 100达西)；并且砂砾石具有非常低的剪切速度(< 100m/S)。可从用钻杆制造具有油管和套管的井或裸井时的波传播的研究中部分理解套管 和(不可渗透的)砂筛的影响。在这两种情况下，内部管和环带填充有相同或不同的流体。 这些模拟模型和砂筛完井之间的关键区别如下油管、钻杆和套管是完全不可渗透的，而砂 筛、砂砾石和套管是高度可渗透的，并且，在一般的情况下，是对于流动开放的；并且环带填 充有没有剪切刚度的流体，而砂筛完井中的砂砾石可能具有一些小的剪切刚度。在为了监测水力压裂在制造下套管的和穿孔的井筒时利用管波方面，存在两种 已知的技术。第一种技术包括利用“管波反射测井”。它分析沿水力压裂的穿孔间隔的管 波反射的强度。通过在模拟前后以约300 3000Hz的频率实施管波反射测井，可以评价 沿穿孔的间隔的水力压裂的质量。第二种技术即“液压阻抗测试”包括用非常低频率管波 (< IOHz)周期性向模拟井发出脉冲并且观察反射信号的各种特征的变化以估计穿孔的套 管后面的水力压裂的参数和断开时间。在第一种技术中，在紧接着压裂的井筒中放置源和 接收器，因此，高频反射可分辨几米的单独垂直间隔的流动性能。在第二种技术中，从井口 发送和接收信号，结果是只能记录非常低的频率。因此，该技术具有非常差的垂直分辨率， 并且只能评价整个压裂的平均性能。尽管如此，两种技术都示出使用管波以感测由水力压 裂的断开导致的井筒和地层之间的流体连通的增加。对于需要监测随时间变化的渗透率的包括人工(筛子、套管、砂砾石)和自然(地 层)成分的完井环境的监测，当前没有已知的技术。在以下的讨论中，我们着眼于模拟现实 完井并将结果与分析和数值模型相比较的实验室实验。具有水平井模型的实验室装置图3示出用于实验测量的水平流动环路装置的示意图。在实验装置中，约 30ft (9m)长的外部管(套管18)包括被连接在一起并被固定到底层支撑轨道上的六个5ft 的部分。通过使用塑性定心夹具将内部管(砂筛14)定位于内部。源32和多个传感器34 位于内部管内。可以理解，本发明的概念适用于传感器被布置于有线线路中或永久性位于井眼中 的系统。仅作为例子，传感器可被嵌入完井自身中、被安装到井下管中的任一个上或以可缠绕在井下管或设备中的一个或更多个周围的分布式传感器(可以是光纤传感器)的形式被 包括。 类似地，传感器32可包括任何适当的源或多个源，并且，可放入到井眼中，或永久 性地布置于井眼中。此外，如下面讨论的那样，只要源与关注的区域中的流体声学耦合，源 就可以是有效的源并且可以在井眼的外面。 内部管和外部管之间的环带可填充有水或水饱和砂砾石。用铺设于内部管底部的 水听器阵列和压电源进行测量。源激发具有受控主导频率的宽带冲击波形。具有35cm间 距的二十四个水听器传感器记录得到的波场。为了减少背景(建筑物/空调)噪声，使用 多个记录的堆叠。我们尝试通过使用管波特征区分四个完井方案(表1)。“开口”和“封闭”表示完 全流体连通的有或无的两个极端的条件。“部分”流体连通应该用这两个边界之间的中间特 征自身表明。检查的特征包括传播速度和管波的衰减以及从诸如28上的分界面的透射和 反射振幅，这里，接触介质由不同的方案描述。表 1完井方案 在本公开中，我们在没有砂砾石的情况下给出方案1和2的实验测量，并将它们与 模型相比较。在最后的部分中，我们给出前两个方案的砾石填充完井的数值模型。实验室装置中的简化完井模型中的波传播(没有砾石填充)这里，我们给出描述实验室装置中的波传播的简单模型。该模型仅需要适用于真 实原位环境的较少的修改。实际的砂筛会是十分复杂的，但是，我们从筛子关于机械和液压 性能由均勻有效的管代表的假定开始。如果该管是不可渗透的(即，存在封堵的筛子)，那 么实验室装置可被简化为该四层模型1)流体；2)弹性内部管(筛子)；3)流体；4)弹性外 部管(套管)。这种具有自由外部边界(空气)的两个同心弹性管的模型支持低频上的四 个轴对称波模型· TI-由内部管支撑的管波· TO-由外部管支撑的管波· PI-与内部管有关的板或套管型波· PO-与外部管有关的板型波美国申请系列第61/004877号的附录描述了这些模型的一般性能并且解释这些 模型的速度如何依赖于完井参数，在此加入该申请作为参考。但是，可以理解，可通过使用本领域技术人员已知的大量的数学技术中的任一种执行得到的信号的模型和处理。通过使用在附录中描述的技术，我们执行经验分析和模型化以确定这里要求权利 的概念的功效。具有来自具有连续放大的单极源的封闭孔(没有砾石填充)、使得源中心 频率等于1000Hz的四层模型的示例性的压力波震图表示(a)最大的到达是与硬外部管有 关的快管波(T0-1030m/s)，(b)较小的到达是与较软的内部管有关的慢管波(TI-270m/s)， (c)板波具有甚至更小的振幅(P0-5410m/S、PI-1630m/S)。快管波在不存在筛子的情况下 最轻微地衰减，在封闭孔中稍微衰减，并在开口孔中被基本上吸收。通过使用有限差代码计 算示例性的四层模型的合成的波震图。在这些模型中，发现主导的到达是与外部管(TO)有 关的快管波，而由内部管(Tl)支撑的慢管波较弱，并且，只有用明显的放大才看到板波。发 现板波速度几乎与频率无关；快管波是稍微分散的，而慢管波经受适度的分散。如果在套管 外面增加地层，那么外部板波(PO)消失。如果套管和筛子之间的环带填充有砂子，那么仅 存在与完井的复 合结构相关的一个管波和一个板波。因此，两个管波的存在可被用作没有 砾石填充(或流体化砾石填充)的完井的诊断。以下检查砾石填充完井中的管波的性能。如果内部管变得可渗透(如在对于流动开放的砂筛中那样)，那么相同数量的波 形模式保持，但是，它们的速度和衰减改变。简言之，两个管波经受衰减和速度的降低。在我们的模型中，对流动开放的砂筛被模型化为由有效的多孔弹性Biot材料制 成的均勻的管。由于诸如中心管或狭槽中的穿孔的微元件具有与管厚度相同的尺寸，因 此，不能充分证明采用有效的介质理论。尽管如此，数据建议具有几米的波长的管波将筛子 “视”为有效管，并且证明使用用于理解对管波特征的渗透率变化的效果的简单模型是有效 的。因此，通过使用具有平行的缝隙或断面阵列的简单的分析模型估计实验筛子的径向渗 透率。在穿孔封闭(方案1和2)的情况下，外部边界被视为具有无牵引外部边界的不可 渗透的管。完全的封堵(方案2)被模型化为筛子和周围的流体之间的非流动边界条件。没有砾石填充的完井实验_模型用玻璃外部管和PVC内部管进行实验。为了模型化开放砂筛(“开口孔”)，我们 使用具有0. 0002m(0. 008”)狭槽的PVC管。封堵的砂筛通过没有狭槽的空白PVC管被模型 化，并且有时被称为“封闭孔”。A.传送特征首先转向存在开口的和封堵的筛子的传送特征-速度和衰减，我们将在没有筛子 和具有“开口”和“封闭”孔的筛子的情况下记录的波场相比较。在没有筛子的情况下，我 们发现，仅存在具有约1050m/s的速度的一个(快)管波。可能是由于玻璃以及厚记录电 缆中的固有的衰减，它经受一些振幅损失。当添加不可渗透的内部管(封闭孔)时，附加的 慢管波出现，而由于PVC中的高吸收性快波开始稍微更多地被衰减。通过具有狭槽的内部 管，流体跨过PVC筛子连通，这导致两个管波的相对强的衰减。如这里使用的那样，与关注 的完井或区域相比，术语“相对强的衰减”指的是比由穿过已知相对不可渗透的介质的快波 经受的衰减大的衰减。介质过滤可将快波和慢波分开，并且揭示在5ft管段之间的接头上 存在各波的多次反射。我们发现，慢波在没有筛子时不存在，在具有封闭孔的筛子中存在， 并且在开口孔中更多地衰减且更慢。因此，我们断定，快管波和慢管波的大大增加的衰减均 是开口的筛(“开口孔”)的一级诊断，而降低的衰减是封堵的筛(“封闭孔”)的特性。
当确定完井的所有或一部分被封堵时，会期望调整井眼中的流体的性能，以减少 或消除封堵。可通过例如调整消落压力、脉动调制压力、修改流体成分或诸如现有技术已知 的其它技术实现一点。可通过分析作为这两种情况之间的频率的函数的能量分布建立附加的诊断。由于 通过管接头上的附加的反射的存在使得实验数据被复杂化，因此优选通过使用缓慢频谱执 行该分析。用于合成波震图的缓慢频谱表明快 管波主导该频谱。对于封闭孔，清楚地看到 慢管波，使得加宽的峰值向着表示分散的低频。在存在开口的狭槽的情况下，快波经受在介 质频率范围(350 700Hz)中特别异常的强的衰减。在整个频率范围上的平均速度谱的图中，在封堵的和开口的情况下存在具有 350m/s和1100m/S的大致相同的速度的快管波和慢管波，但是在没有筛子的情况下，慢波 完全不存在。在封堵的筛子中，快波携带接近源的主导频率的300 600Hz的频率范围中 的最大能量，而较低和较高的频率携带较少的能量。相反，开口的筛子中的快波的波谱在300和600Hz之间具有大的能量“孔”，这里， 快波如此强烈地衰减，以致于更高的频率(600 900Hz)携带更多的能量。关于慢管波，它 主要存在于600Hz以下的频率上，并且也衰减。令人惊奇的是，其振幅对于开口孔在低频下 增加，在该低频上，它比快波的振幅大。然后将该实验行为与通过使用数值模型预测的结果相比较。封闭孔的情况下的 理论分散曲线图揭示，快管波经受低于2000Hz的很小的分散，并且与实验观察值匹配。通 过使用反射率方法在实验装置中对于封闭和开口孔计算的合成压力波震图表明，在开口孔 中，慢管波转变成具有相当低的速度和“楼梯”图案的相当复杂的能量束。在多孔筛子材料 中，连通相位中的断点的线具有接近慢P波速度的斜率。增加不可渗透的内部管的直径可 望导致第二管波速度从350m/s减慢到280m/s。虽然对于封闭孔慢速度很好地匹配，但是， 对于开口孔，速度比预定的高。这最可能是用于制造空管和带狭槽的筛子的PVC的弹性性 能的变化的结果。用我们的实验装置的多孔弹性参数的最佳的估计对于玻璃装置计算合成 的波震图。如实验结果的情况那样，在封闭孔的情况下，我们观察到两个管波，快管波主导 振幅。在存在具有开口的狭槽的筛子中，两个波均经受较强的变化。快管波经受适度的衰 减和波形的变化。慢管波转变成具有弱的振幅的复杂的波包而不是较慢的速度和非常强的 特性。通过连接相位在波包内改变的点，我们得到多孔筛子材料中的传播的慢Biot波的速 度的近似值( 80m/s)。由于源的中心频率(500Hz)远比临界Biot频率(30Hz)高，因此， 与多孔筛子中的慢Biot波的干涉可能是复杂的波包的原因。在不以任意方式限制本发明的范围的情况下，对于模型化的结果建议以下的物理 解释。当管内的流体的活塞式运动产生通过弹性管抵抗的径向扩展时，产生管波。慢波主 要由内部管支撑。当该管被开槽时，由于流体可自由地选出到环带，因此流体的径向移动不 再被抵抗，由此导致该波的强烈的衰减。相反，快波主要由外部玻璃实管支撑。当内部管可 渗透时，快波中的流体的活塞式运动可另外在外部和内部流体柱之间交换流体，由此产生 适度的衰减。开口孔的缓慢频谱表明，与实验结果类似，快波在350 700Hz的中间频率范围上 经受异常高的衰减。另外，速度在低频下降低，并且能量峰变宽，从而表示分散。合成数据 中的快管波的能量分布(左)和峰值速度(右)的示图确认开口的筛子中的快管波在低频下较低，而在高频下经受轻微的加速。示图的比较确认实验和模型之间的定量一致性在两种情况下，快波均在保持其较高和较低频率的同时在中间频率范围上表现异常的振幅降 低。该振幅降低不能被源微波谱解释，并因此应归因于由通过开槽的多孔筛子的流体移动 导致的异常衰减。表现共振衰减的频率范围由渗透率控制。例如，当渗透率降低到50D时，该带从 350 700Hz移动到600 1000Hz，即，渗透率越低，则快波的具有异常衰减的带的频率越 高。由于衰减的带将处于非常高或无限的频率上，因此封堵的筛子(0达西)不表现异常衰 减，因此这也与实验数据一致。因此，快管波的具有异常衰减的带的中心频率可被用作筛子 渗透率的附加的牢靠的诊断。我们应注意，在两种情况下，源的中心频率优选远比筛子的临 界Biot频率高。它仍不能解释为什么在开口孔中模型不是预测强烈的分散而是预测慢管 波的不寻常的特性和强烈的降速，而实验表明慢波更简单并且具有与低频率上的快波可比 较的振幅。具有开口的和封堵的筛子的完井之间的速度和衰减的差异还导致性能变化的边 界上的反射。以下的段落讨论筛子的开口的和封堵的部分之间的单一分界面上的透射-反射。分界面封堵-开放首先，我们使用管长度的2/3包括空管(封闭孔)并且剩余的1/3包括开槽的筛 子的实验模型。在低频上，位于空管的中间的源激发快波和慢波。快波在到达分界面时、例 如在图3中的28上高度衰减。慢波经受在波场分离的显示器上更容易看到的强烈的反射。 在更高的频率上，快波反射变得更明显。模型表示在性质上类似的行为。首先，快波在开口 部分中变得更加衰减。其次，虽然我们观察到快_快和慢_慢反射，但后者的振幅明显更大， 这与实验数据一致。如上所述，观察到模型低估开口孔中的慢波的振幅。分界面开放-封堵当源在开口部分内时，那么波传播改变。第一，在低频上，主导开口部分中的波传 播的慢管波( 300m/s)有效地转变成封堵部分中的快波( 1000m/S)。强烈衰减的快波 和慢波之间的干涉在源的周围产生弯曲的时差的效果，但是，很显然，通过后到的直接的慢 波，产生快波。未处理集合的简单的检查揭示开放-封堵分界面的位置作为主导事件的斜 率的变化。第二，相同的入射的慢波产生反射回到开口部分中的强的反射，该反射很显然比 来自管接头的更早的反射大。第三，在更高的频率上，我们观察到来自源的直接的快波，该 快波在开口部分中快速衰减，但在封闭部分中转变成经受较少衰减的快波。尽管如此，通过 来自后面的慢管波的转变产生更强的向右行进的快波。具有砾石填充的完井_数值模型化为了理解砂砾石对于波传播的影响，适当地预测砂子的剪切模量是重要的。存在 两种可能的方案 如果剪切模量较小但不为零，那么砾石填充与弱弹性材料层类似。在这种情况 下，完井的行为类似于包括砂筛、砂砾石和套管的复合(径向分层的)多孔弹性围绕物-所 有这些具有非零的剪切刚度。如果所有的层被完全接合，那么仅存在单一的管波。 如果砂子的剪切模量为零，那么砂砾石用作悬浮液，并且其行为与有效的高密度的流体类似，但被有限的孔隙率和渗透率复杂化。在这种情况下会观察到多于一个的管 波，从而使其与没有砾石填充的完井的情况类似。基于我们的研究，可以相信，在良好的质量的砾石填充的情况下，出现第一方案。 通过实验室中的砾石填充过程的视觉检查确认这一点一旦砂粒被包装，那么它们不随流 动而移动而是保持“锁定”在适当的位置上。这表示颗粒-颗粒接触和非零剪切刚度。当 流动使砾石填充失稳并且不再出现颗粒-颗粒接触时，在流体化砂子的情况下，可出现第 二方案。在以下的讨论中，我们关注于砾石填充被模型化为多孔弹性Biot介质层时的“正 常的”第一方案。剪切波速度保持最不确定的参数。对于初始的模型化，我们取 120 150m/s的原位估计和 10 20m/s的实验室估计之间的70m/s的值。在下一部分中，我们分析描述将来用于具有砾石填充的实际实验的实验室铝装置 的模型中的波传播。因此，我们检查包括以下方面的自由外部边界的四层模型1)流体；2) 弹性内部管(筛子)；3)砂子；4)弹性外部管(套管)。透射特征。如果砂子和筛子的多孔弹性性质被忽略并被模型化为弹性不可渗透介质，那么只 有两个轴对称模型在低频下传播·由包括筛子、砂子和套管的复合管支撑的T管波； 由复合管支撑的P板或套管型波。因此，砾石填充完井具有没有砾石填充的完井的一半的模式。这大大简化了波传 播。复合管波的特性更接近快管波，并且甚至保持 1100m/S的类似的速度。当砂子被流 体化时，那么出现与完井没有砾石填充的情况类似的第二(慢)管波。因此，第二慢管波的 存在是完井具有流体化砂子或没有砂子的诊断。板波具有急剧下降的速度，并且由于完井 层的高度对比的弹性性能被强烈地分散。最后，应当注意，在更高的频率处出现附加的轴对称模型。高次模的截止频率随砂 子的剪切速度的降低而降低。结果，砂子的非常低的剪切速度会产生复杂的多模式波传播。合成的波震图表明，管波主导低频下的波传播，而板波只能通过高的放大倍数被 看到。在筛子的封堵的部分(封闭孔)中，管波如期望的那样具有更高的速度并且经受非常 少的衰减。相反，开口孔允许筛子内的流体柱和砂子中的孔隙流体之间的流体连通。结果， 我们甚至在非常短的偏移上观察到强烈的分散和速度的降低以及明显的衰减。因此，与开 口孔测井方法类似，我们可通过检查速度和衰减区分筛子的可渗透和不可渗透部分。速度 的减慢和高的衰减是开口部分的简单诊断，而加速和很少或没有衰减是封堵部分的特性。反射特征合成的波震图还示出封堵_开放和开放_封堵分界面上的反射_透射过程。由于 仅在开口和封堵部分中存在单一的管波，因此与没有砾石填充的情况相比，波传播被简化。 反射的管波是由于跨过分界面的速度和衰减的差异。有意思的是，在模型中，来自封闭-开 口分界面的反射波非常大(约35%)，而来自开放-封堵分界面的反射波较弱(约5%)。 尝试使用ID有效波数方法以洞察反射-透射过程的物理本质。虽然该方法对于多孔弹性 介质和径向不均勻弹性介质被证明是有效的，但是其对于径向分层多孔弹性介质的有效性 还没有被建立。尽管如此，通过使用ID假定，有效波数方法预测封堵_开放和开放_封堵 分界面上的反射系数应大小相同而符号相反，这与有限差模型矛盾。
光纤设备如上面讨论的那样，实验室实验和模型证明使用监测沿完井的渗透率变化的管波 信号的概念。但是，为了实现该井下技术，必须在制造的井中提供声源和接收器。在实验 室中使用的工具对于井下布置是不适用的；井下布置需要源和接收器被保护并且不阻挡流 动。传感器关于接收器，可通过设置于管(砂筛、管或套管)外面的光纤传感器满足这些目标。另外，这种传感器可完全是无源的并因此不需要电力。我们通过将塑料管内的水听器 与“管上”光纤波震图相比较验证该思想。在两组测量之间观察到良好的一致性。虽然在管的内部在低频下管和板波均由活塞式运动描述，但是，在管壁上，管波主 要产生径向位移，而板波主要产生轴向位移。缠绕在管周围的纤维检测管的径向位移，该位 移是管波的特性_有时称为“呼吸”模式。另外，由光纤传感器执行的方位角平均化趋于抑 制其它的噪声并强调轴对称管波。可通过使用目的在于测量管的变形的实时套管成像(RTCI)工具，实现缠绕在砂 筛或套管的外侧的纤维。RTCI传感器趋于紧密排列以检测非对称的准静态变形，而存在的 实时完井监测(RTCM)优选使用离散的位置上的管圆周周围的平均值，但在时间上以细微 的间隔采样。实验室光纤系统当前用于试验装置中的纤维光学系统是基于Michelson干涉仪的干涉测量系统。 Michelson干涉仪包括信号分离器、基准线圈、感测线圈和分别位于各纤维线圈的端部上的 两个法拉第旋转镜(FaradayRotating Mirror) (FRM)。来自激光器的调制光被分离并且向 下向基准和感测线圈行进。两个信号均在FRM上反射并向后向分离器行进，在那里它们干 涉，并且，通过使用第二纤维引导，光向后路由到光电子设备。感测线圈被缠绕在管周围，并且随着管呼吸经受应变。基准线圈优选位置非常接 近感测线圈，以使信号干涉之前的任何噪声拾取最小化。感测信号和基准线圈之间的干涉 点是作为与线圈共位于井下的分离器/组合器。与基准线圈相比，在呼吸运动中在管中引 起的应变导致感测线圈中的光路长度的动态变化。光路长度的变化导致干涉测量信号的偏 移，该偏移又可与管的呼吸运动的幅度和频率有关。该方案的主要优点是便于安装和能够灵活地在管上的不同位置之间以及在不同 的试验装置之间移动单独的传感器。具有24个传感器的实验系统使用48个光纤引线，这 在实验室环境中是可管理的，但对于现场布置是不实际的。 用于现场安装的光纤系统用于现场布置的系统优选使用基于频分复用(FDM)和波分复用(WDM)的信号复 用方案，这会减少从感测部分到表面的光纤引线的数量。由于基准线圈会需要油管和套 管之间的一些空间，因此Michelson干涉仪的基准线圈对于现场布置不是优选的。选择的 Michelson干涉仪系统对于期望与最高可能的性能和噪声消除组合的高度的灵活性的当前 的实验室测试是理想的。但是，在给定其机械印迹的条件下，从总体布置的观点看，这是次 优的。存在用于制造期望的测量的其它技术，并且这些技术对于现场布置也是实用的。两个选项特别提供良好的性能，并且可与本系统兼容。这两个系统均使用连续的光纤。第一种技术基于在光纤中刻画反射镜的Fabry-Perot干涉仪。关于Michelson 干涉仪，刻画的感测线圈被缠绕在管周围，并且随着管呼吸经受应变。基准线圈相对远离 感测线圈，并且，信号脉冲可在信号干涉之前在它们在电缆在行进时拾取噪声。与基准线 圈相比，在呼吸运动期间在管中引起的应变导致感测线圈中的光路长度的动态变化。光 路长度的变化导致干涉测量信号的偏移，该偏移又可与管的呼吸运动的幅度和频率有关。 Fabry-Perot系统的益处是较小的井下印迹。缺点是可能通过连通传感器与表面光学电子 设备的电缆拾取的可能更高的噪声。第二种技术“BlueROSE”由 Naval Undersea Warfare Center 为军事安全应用开 发，其中，"ROSE”是 Rayleigh Optical Scattering andEncoding 的缩写。Blue ROSE 技术 沿纤维的长度检测Rayleigh背散射轮廓(或“指纹”)。由于导致Rayleigh散射的纤维中 的随机的杂质，光纤的各段具有特有的散射轮廓。Blue ROSE系统使用光纤中的Rayleigh 指纹作为Fabry-Perot反射器。该系统可沿纤维长度在任意位置动态使用不同的Rayleigh 指纹。Blue ROSE使电势与单个电缆中的RTCI和RTCM系统组合，这对于完全的井下监测会 是期望的。源RTCM的透射和反射配置均需要井下管波的可重复的激励。可通过使用有源源和无 源源以以下描述的两种不同的方式实现这一点。有源源原则上，专用的有源源可在机械上被固定于油管或筛子的外侧，这可以是机械的 或磁致伸缩的或与其类似。与井中的附加的安装分开，该方法也需要电源电缆以供给源。无源噪声源较少的需求的替代方案可以是使用流动噪声或其它的干扰作为无源信号，并且， 通过使用互关联获得两个传感器之间的响应。使用所谓的“噪声相关器”以检测管中的表面 下泄漏的位置。近来，光纤管上传感器的类似的互关联技术被利用以测量管波速度，并且对 于表面和井下管中的流体成本和流体速度逆转。在井下的情况下，声学流量计优选包括安 装于完井附近的油管外侧的光纤传感器的阵列，并且在井流动的同时实时执行声学测量。有效的源互关联是在美国专利第6747915号和国际申请W02008064100中描述的更一般的 虚拟源tm方法的ID方案。在例如通过剩余的传感器在第一接收器上记录互关联之后，能够 获得如同实际上从位于第一接收器的位置上的“有效源”发射信号的响应。由于我们直接测 量有效源中的入射信号，因此我们获知源特征并可将其整形为期望的形状。这是重要的，原 因是可允许两个重要的步骤-重叠用相同的源特征整形的多个记录以提高信噪比，以及， 不仅评价速度而且评价管波信号的衰减。因此，在一些实施例中，使用虚拟源方法以允许在 没有井下有源源的情况下实现RTCM的完全无源方案。以下的例子被包括以示出本发明的优选实施例。本领域技术人员可以理解，在以 下的例子中描述的技术代表由发明人发现以很好地在本发明的实际中起作用的技术，并由 此可被视为构成用于其实际的优选模式。但是，鉴于本公开，本领域技术人员应当理解，在 公开的特定的实施例中，在不背离本发明的范围的条件下，可提出许多的变化，并且仍获得类似或相似的结果。实验装置的讨论 由于极高的衰减和较低的速度，因此具有Plexiglas管和PVC筛子的原流动回路 装置不是很好地适于声学测量。它对于具有钢管的现场情况在声学性能方面也不具有代表 性。在当前的实验中使用的玻璃装置是一种改善，但是，由于声学上较慢并且衰减的PVC筛 子以及由于污染数据的强烈的接头间反射，因此它仍是次优的。虽然处理部分有助于应对 这些寄生反射，但是这种设计的接头不是现场情况的代表并因此不应被避免。优选使用具 有铝外部管和铝筛子的铝装置，以在仍保持可在实验室中操作的轻的重量的同时达到钢管 一般具有的快速的声学速度。为了避免接头间反射，建议减少管部分的数量并使管悬离吊 索。声学获取实验室中的声学获取在35cm间隔上利用24个传感器。为了避免混叠，优选具有小 于或等于在主导频率上计算的关注的波的波长的传感器间隔。因此，对于具有 700m/ s的期望速度和 700Hz的中心频率的砾石填充完井，波长为约 lm，并且优选0. 5m或更 小的间隔。在没有砾石填充的完井中，或者，如果流体化被怀疑，那么期望 300m/s的慢管 波速度，并且期望更小的采样间隔。当然，如果可以以令人满意的方式使用更低的频率，那 么采样可增加，但是，较低的频率趋于产生较低的空间分辨率。我们已讨论了可在开口环形区域中激发的慢管波模式，并且，这些波可被检测。因 此，可通过使用来自有源和/或无源源的管波记录确定井内条件和环境内条件。例如，对于 识别井中的套管后面的未胶结或部分胶结的环状区域，该技术是有帮助的。该方法会补充 更多的常规的测井技术。并且，这些管波模式的无源观察可以是诸如套管后流动或用作源 的套管变形的现象的指示。如果观察到慢的环状管波模式，那么本发明的一些实施例因此 包括向可与环带声学耦合并推断胶结层不完整的流体透射声学信号。对于附录的引用在具有一个或两个同心管的模型中包括零频率速度的附录被附加到本申请上，本 申请从该附录要求优先权，在此加入该附录的全部内容作为参考。可以在不背离本发明的范围的条件下设计利用上述的本发明的一个或更多个方 面的其它的和另外的实施例。例如，这里描述的实时声学监测技术不仅可被应用于砂筛和 砾石填充完井的监测，而且可被应用于其它的完井和诸如恢复操作的井下应用。并且，可以 包括相互组合的各种方法和实时声学监测方法的实施例，以产生公开的方法、装置和实施 例的变型。除非特别限制，否则步骤的次序可以以各种次序出现。这里描述的各步骤可与其 它的步骤组合，封堵陈述的步骤和/或分成多个步骤。类似地，在功能上被描述的元件可体 现为单独的部件，或者可被组合成具有多个功能的部件。已在优选的和其它的实施例的上下文中描述了本发明，并且，不是本发明的每个 实施例都已被描述。对于本领域技术人员来说，描述的实施例的明显的修改和替代方案是 可用的。公开和未公开的实施例意图不在于限制或约束由申请人构想的本发明的范围或适 应性，而是，遵照专利法，申请人要完全保护在以下的权利要求的等同物的范围或广度内的 所有这些修改和改进。
权利要求
一种用于监测穿过井眼中的井下设备的流体流的方法，包括a)在设备中的流体中提供声学管波；b)在声学管波穿过设备中的流体之后测量所述声学管波；和c)通过测量声学信号的衰减来评价设备的渗透率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c)还包括测量声学信号的速度的变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，设备是井下可渗透设备，并且，步骤c)还包括通 过在管波穿过设备时检测管波中的衰减的减少或速度损失的减少中的至少之一来确定设 备至少部分被封堵。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括响应于设备至少部分被封堵的确定来调整井眼 中的流体的性能。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，设备选自包括砂筛、砾石填充、砾石填充筛、绕线 筛、机械型筛、具有完全或部分穿孔的中心管和设置在其上面的过滤介质的筛、和穿孔的套 管的组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，设备是砾石填充设备，并且，在步骤c)中进行的 测量指示砾石填充过程的性能。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用在井眼中布置的多个传感器进行步骤 b)中的测量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，传感器被永久布置于井眼中。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，传感器是光纤传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，传感器被支撑在缠绕在砂筛或另一井下管中的 至少一个周围的设备上。
11.根据权利要求7所述的方法，还包括使在第一接收器上接收的信号与在附加的传 感器上接收的信号相互关联以获得如同信号从所述第一接收器的位置上的源被发射的有 效响应的步骤。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，设备是井下可渗透设备，并且步骤c)还包括通 过检测穿过设备的快管波在低频上减慢但在高频上加速来确定设备不被封堵。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括通过检测具有相对高的衰减程度的频带并将 所述频带的频率与不同的测量中的具有相对高的衰减程度的频带的频率相比较来确定设 备的相对渗透率的步骤。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，设备是井下可渗透设备，并且步骤c)还包括通 过测量快波并检测所述快波的相对强的衰减来确定设备不被封堵。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，设备是井下可渗透设备，并且步骤c)还包括通 过检测具有降低的振幅和速度的慢管波来确定设备不被封堵。
16.一种用于从含烃地层生产碳氢化合物的方法，包括通过井下可渗透设备生产碳氢 化合物，并且通过使用如权利要求1所述的方法监测穿过设备的流。
全文摘要
提供一种用于监测穿过井下设备的流体流的方法，包括a)在设备中的流体中提供声学管波；b)在声学管波穿过设备中的流体之后测量该声学管波；和c)通过测量声学信号的衰减来评价设备的渗透率。声学信号的速度的变化也可被测量。设备可以是诸如砂筛的井下可渗透设备，并且，通过使用在井眼中布置的多个传感器进行步骤b)中的测量。该方法还可包括使在第一接收器上接收的信号与在附加的传感器上接收的信号互关联以获得如同信号从所述第一接收器的位置上的源被发射的有效响应的步骤。
文档编号E21B47/10GK101878351SQ200880118069
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月30日
发明者A·V·巴库林 申请人:国际壳牌研究有限公司