利用分形图案的烃类开采的方法以及相关设备的制作方法
【专利摘要】一种用于预测地下岩层中的烃类开采的方法可以包括：生成与来自地下岩层的样本中的断裂相关联的加热前数据，基于加热前数据确定第一个分形图案，以及利用RF功率来加热样本，以导致样本中的额外的断裂。该方法可以包括利用RF功率加热之后生成与样本中的更多的断裂相关联的加热后数据，基于加热后数据确定第二分形图案，检测第一分形图案和第二分形图案之间的变化，以及基于检测到的变化，预测从地下岩层的烃类开采。
【专利说明】利用分形图案的烃类开采的方法以及相关设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及烃类资源处理领域，并且更具体而言，涉及用于开采烃类的方法以及 相关的设备。
【背景技术】
[0002] 世界范围的能源消耗一般而言越来越大，常规的烃类资源正在被消耗。为了满足 要求，可能希望开采非常规的资源。例如，诸如重油之类的高粘性的烃类资源可能贮藏在沙 子中，其中，它们的粘的本质不允许常规的油井生产。这种烃类资源的类别一般被称为油 砂。估计在这样的油砂岩层中可能会发现数兆桶的石油储量。
[0003] 在某些情况下，这些油砂沉积当前通过露天采矿来采掘。用于对于较深的沉积的 就地提炼的另一种方法被称为蒸汽辅助重力泄油（SAGD)。重油在储油层温度下是不能移 动的，因此，通常将油加热，以降低其粘度，并使油流能流动。在SAGD中，形成许多对注入井 和出油井，以横向地在地下延伸。每一对注入/出油井都包括下采油井和上注入井。注入 /出油井通常位于下伏岩层和覆盖层之间的地下岩层的产油层中。
[0004] 上注入井通常被用来注入蒸汽，下出油井收集流出岩层的加热的原油或浙青，以 及来自注入的蒸汽的凝结的任何水。注入的蒸汽形成在岩层中垂直和水平地延伸的蒸汽 室。来自蒸汽的热量降低重质原油或浙青的粘性，这使它向下流到下出油井，在那里，它被 收集和开采。蒸汽和气体由于它们的较低的密度而上升。例如，诸如甲烷、二氧化碳，以及 氢化硫之类的气体，可以倾向于在蒸汽室中上升，并填充限定了蒸汽上方的绝缘层的由油 留下的空隙空间。油和水流被重力驱动排出到下出油井。
[0005] 在大致储油层压力下操作注入和出油井可以解决对高压蒸汽过程产生不利的影 响的不稳定性问题。SAGD可以产生平稳、均匀的生产量，在合适的储油层中产量可以高达原 油地质储量（00IP)的70%到80%。SAGD过程可能对页岩条纹及其他垂直壁障相对敏感， 因为随着岩石被加热，微分热膨胀导致其中断裂，使蒸汽和液体流过。SAGD的效率可以达到 旧的周期注蒸汽吞吐法（CSS)过程的两倍。
[0006] 世界上许多国家具有大量的油砂沉积，包括美国、俄罗斯以及中东各国家。油砂 可以占世界的总石油资源的高达三分之二，例如，在加拿大阿萨巴斯卡油砂，至少有1.7兆 桶。目前，只有加拿大具有大规模的商业油砂工业，虽然在委内瑞拉也从油砂中生产少量的 油。由于增加的油砂生产量，加拿大已经成为美国的油和产品的最大的单一供应商。油砂 现在是几乎一半的加拿大采油量的源，而委内瑞拉的生产量近年来已经下降。而在其他国 家，还没有在显著水平上由油砂生产油。
[0007] Banerjee等人的美国公开的专利申请2010/0078163公开了提供了三个井的烃类 开采过程：用于注水的最上面的井，用于向储油层中引入微波的中间的井，以及用于生产的 最下面的井。微波发生器生成通过一系列导被指引到中间井上方的区域的微波。微波的频 率是位于大体上基本相当于水的共振频率的频率，以便水被加热。
[0008] 沿着这些线，Dreher Jr.等人的美国公开的专利申请2010/0294489公开了使用 微波来提供加热。活性剂被注入到地表面以下，并被微波加热，然后，活性剂加热产油井中 的重油。Wheeler等人的美国公开的专利申请2010/0294488公开了类似的方法。
[0009] Kasevich的美国专利7, 441，597公开了使用射频发生器来将射频（RF)能量应用 到位于产油/气井的水平部分上方的RF井的水平部分。由于RF能量，原油的粘度降低，这 使得油由于重力而排放。通过产油/气井开采油。
[0010] 也是授予Kasevich的美国专利7, 891，421公开了稱合到井的水平部分中的同轴 电缆的外侧导体的油嘴组装件。同轴电缆的内层导体被耦合到接触环。绝缘体位于油嘴组 装件和接触环之间。同轴电缆被耦合到RF源以将RF能量施加到井的水平部分。
[0011] 令人遗憾的是，例如由于失败的启动而造成的使用SAGD提取油的长的生产时间 可能会导致向相邻的土壤的大量的热损失、过度消耗蒸汽，以及开采成本高。典型地还使用 大量的水资源来使用SAGD开采油，这会影响环境。有限的水资源也会限制采油。
[0012] 也可以从其他地下岩层，诸如，例如，油页岩，取出烃类资源。油页岩（油母）是包 含烃类，即，页岩油，的沉积岩。页岩油提取的一种典型的方法是加热油页岩，以蒸发页岩 油，随后可以收集页岩油。尽管如此，此方法会十分昂贵，特别是当与其他烃类资源提取方 法相比时。希望更有效率地开采这些烃类资源。
【发明内容】
[0013] 因此，根据前述的背景，本发明的目标是提供有效率并稳定的用于烃类开采的方 法。
[0014] 根据本发明的此目标及其他目标、特征，以及优点通过用于预测地下岩层中的烃 类开采的方法来提供。该方法可以包括生成与来自地下岩层的样本中的断裂相关联的加热 前数据、基于加热前数据确定至少一个第一分形图案，以及利用RF功率加热样本，以导致 样本中额外的断裂，该方法还可以包括，在利用RF功率加热之后生成与样本中额外的断裂 相关联的加热后数据，基于加热后数据确定至少一个第二分形图案、检测至少一个第一分 形数据和至少一个第二分形数据之间的变化，以及，基于检测到的变化预测从地下岩层的 烃类开采。有利地，预测的烃类开采是准确的，并可以降低开采成本。
[0015] 更具体地说，对变化的检测可以包括检测断裂中的体积测定变化。加热前数据可 以包括三维映射加热前数据，加热后数据可以包括三维映射加热后数据。该至少一个第一 分形图案的确定可以基于三维映射加热前数据中体素的至少一个邻近区域，以及至少一个 第二分形图案的确定可以基于三维映射加热后数据中体素的至少一个邻近区域。
[0016] 在某些实施例中，加热前数据和加热后数据中的产生可以包括使用计算层析成像 (CT)扫描。对该变化的检测可以包括执行互信息计算。
[0017] 每个分形图案可以包括相关联的分辨率和相关联的分形图案类型。
[0018] 另外，该方法可以包括为至少一个第一和至少一个第二分形图案生成包括多个数 值的分形图案查询表（LUT)。
[0019] 该方法也可以包括基于至少一个第一和至少一个第二分形图案显示至少一个图 像。该方法可以也包括基于预测的烃类开采将RF功率应用于地下岩层，并在对地下岩层应 用RF功率之后，从地下岩层开采烃类。
[0020] 另一方面涉及一种用于从地下岩层样本预测地下岩层中的烃类开采的设备。该设 备可以包括RF天线、传感器，以及耦合到RF天线和传感器的处理器，该处理器可以被配置 成从传感器，生成与样本中的断裂相关联的加热前数据，以及基于加热前数据确定至少一 个第一分形图案。该处理器可以还被配置为利用来自RF天线的RF功率来加热样本，以导 致样本中额外的断裂，在利用RF功率加热之后，通过传感器，生成与样本中额外的断裂相 关联的加热后数据，基于加热后数据确定至少一个第二分形图案，检测至少一个第一分形 图案和至少一个第二分形图案之间的变化，以及，基于检测到的变化预测从地下岩层的烃 类开采。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是根据本发明的设备的示意图。
[0022] 图2是示出了图1的设备的实施例的操作的流程图。
[0023] 图3是图2的体积测定处理框的详细流程图。
[0024] 图4-5分别是加热前和加热后，来自样本的体切片的图像。
[0025] 图6A是来自样本的加热前体切片的图像。
[0026] 图6B是进行了 Edge3D处理的来自样本的加热前体切片的图像。
[0027] 图7A是进行了 Blob3D处理的来自样本的加热前体切片的图像。
[0028] 图7B是来自样本的加热前体积的图像。
[0029] 图8A是来自样本的加热后体切片的图像。
[0030] 图8B是带进行了 Edge3D处理的来自样本的加热后体切片的图像。
[0031] 图9A是进行了 Blob3D处理的来自样本的加热后体切片的图像。
[0032] 图9B是来自样本的加热后体积的图像。
[0033] 图10A和10B分别是在第一阈值时加热前和加热后的来自进行了 Blob3D处理的 样本的体积的图像。
[0034] 图11A和11B分别是在第二阈值时加热前和加热后的来自进行了 Blob3D处理的 样本的体积的图像。
[0035] 图12A和12B分别是在第三阈值时加热前和加热后的来自进行了 Blob3D处理的 样本的体积的图像。
[0036] 图13是加热前和加热后的来自样本的断裂度量的图表。
[0037] 图14A-14B分别是加热前和加热后，来自样本的断裂大小的图表。
[0038] 图15A-15B分别是加热前和加热后，来自样本的垂直断裂长度的图表。
[0039] 图16是根据本发明的设备的另一实施例的示意图。
[0040] 图17是示出了根据本发明的该设备的实施例的操作的流程图。
[0041] 图18是与所指出的分形图案区域相邻的体素。
[0042] 图19是示出了点位置的分形图案二进制表示的表的截图。
[0043] 图20-21是分别以4X4X4和8X8X8分辨率表示分形图案的示意图。
[0044] 图22A和22B分别是在第一阈值时加热前和加热后的来自进行了 Blob3D处理的 样本的体的图像。
[0045] 图23是分形图案被可视化的来自加热后的样本的体的图像。
[0046] 图24A-24B分别是加热前和加热后，来自样本的分形发生的图表。
[0047] 图25是来自样本的灵敏度分析的图表。
【具体实施方式】
[0048] 下面将参考附图更全面地描述本发明，在附图中，示出了本发明的优选实施例。然 而，本发明可以许多不同的形式来实现，不应该被理解为仅限于此处所阐述的实施例。相 反，提供这些实施例是为了使本说明书完整和彻底，并将本发明的内容全面地传达给本领 域技术人员。相同的附图标记遍及附图表示的相同的元素，使用角分符号来表示替换实施 例中的类似的元件。例如，虽然对RF前和后的断裂的描述全部都是RF加热相关的，但预想 本发明包括任何诱导变形（压力断裂、热诱导断裂等等）。
[0049] 首先参考图1，现在将描述根据本发明的设备30。设备30用于从样本35预测地 下岩层中的烃类开采。如本领域的技术人员理解的，样本35可以在原处，S卩，仍在地下岩层 中，或者样本可以分离地收集和处理，如在所示实施例中。
[0050] 设备30包括RF天线33、传感器34,以及耦合到RF天线和传感器的处理器31。设 备30还说明性地包括耦合到处理器31的显示器32。在某些实施例中，传感器34可以包括 包括用于向样本35定向辐射的x射线源的CT设备，以及用于检测从样本反射的X射线辐 射的辐射传感器。当然，在其他实施例中，传感器34可以使用其他形式的辐射和/或团块。 在某些实施例中，辐射传感器可以定位在X射线源的对面。
[0051] 现在另外参考图2,流程图40描述了设备30的操作方法（框56)。该方法用于通 过对样本35的分析预测地下岩层中的烃类开采。首先，激活传感器34以扫描样本35 (框 41)。
[0052] 该方法还包括数据转换（框42)，在那里，从传感器34提取的数据被转换为图像文 件格式。例如，传感器34可以以医学数字成像和通信（DIC0M)格式来输出数据，转换可以 将这样的数据变为位图图像文件或光栅图像文件。方法在框43包括体积测定处理。
[0053] 方法包括生成与来自地下岩层的样本35中的断裂相关联的加热前数据。换言之， 通过传感器34检查样本35的基准状态，以便随后的状态是可容易比较的。该方法还包括 利用来自RF天线33的RF功率来加热样本35,以导致样本中的额外的断裂。如将被理解 的，RF加热导致样本35中的烃类资源（例如，页岩油）膨胀并导致其中的断裂。
[0054] 在RF加热之后，该方法包括在利用RF功率加热样本之后，生成与样本35中的额 外的断裂相关联的加热后数据（通过传感器34)。更具体地说，加热前数据包括三维映射加 热前数据（例如，点云数据），而加热后数据包括三维映射加热后数据。
[0055] 加热前数据和加热后数据都通过框41-43处理，在框44,该方法包括检测加热前 数据和加热后数据之间的变化。对变化的检测可以包括执行互信息计算。在所示出的实施 例中，对变化的检测可以包括检测断裂中的体积测定变化。
[0056] 该方法还包括基于加热前数据和加热后数据来显示至少一个图像（框45, 57)。在 某些实施例中，方法包括只显示加热前数据和加热后数据之间的变化。可以基于切片或作 为体（多个切片）进行变化数据的显示。
[0057] 该方法还包括基于检测到的变化，预测来自地下岩层的烃类开采。简而言之，通过 利用变化检测过程，设备30能够通过对样本35执行扫描，提供对地下岩层中的烃类大规模 提炼的商业可行性的预测。
[0058] 有利地，预测的烃类开采是准确的，并可以降低开采成本。在某些实施例中，方法 可以包括基于预测的烃类开采，将RF功率应用到地下岩层，并在将RF功率应用于地下岩层 之后，从地下岩层开采烃类（即，实际提取过程）。所公开的方法提供用于作为RF波传播技 术的结果建模页岩断裂的自动化方法。此外，方法还可以示出断裂的定性二维（2D)和三维 (3D)可视化。
[0059] 所公开的图像处理算法自动地以3D准确地提取断裂特征，以便进行有效率的评 估。使用统计属性以及使用用于分析的2D图，讨论定量结果。该方法可以量化由于RF加 热而导致的断裂网络中的增大，并提供用于进行变化检测和分析的方法。通过使用统计分 析，可以知道断裂和增加的采油之间的关系。
[0060] 所公开的方法可以被用来分析页岩结构，并推断增加的油开采以提高成本效益。 在页岩中，天然断裂提供渗透性，以及接近井中的油和气的途径，并且引发断裂可以帮助提 高各种页岩岩层及包含页岩层的其他岩层中的油和气开采量。断裂可以使液体自由地流 动，因此，可以更加容易提取，并且成本较低。页岩具有弱渗透性，因此，大量的产气需要断 裂以提供渗透性。
[0061] 设备30使用3D扫描从RF照射之前和之后的样本摄取3D页岩图像。通过计算互 信息，来量化这些样本之间的变化检测。此设备30的设计基于这样的假设：关注的变化在 整个所关注的区域不规则地分布。简而言之，设备30提供处理建模和可视化页岩断裂结构 的问题的方法，并提供准确地预测可以提取的烃类资源的量的方法。
[0062] 现在另外参考图3-9B，详述体积测定处理框43 (框61)。此讨论是在几个试验样 本（具体而言，4个样本）的示例性情况下执行的。该过程的示例性实验室设备使用CT传 感器作为收集页岩样本的体积测定数据的远程传感器。目标是检测在将RF能量应用于页 岩样本之前和之后的页岩断裂，并量化断裂的数量、大小，以及垂直距离（长度）。断裂的存 在对于优化要在所感兴趣的区域（即，如前所述的地下岩层）提取的可采石油是重要的。
[0063] 方法包括从传感器34摄取体切片（框51)。例如，每一体切片都可以包括8比特 图像切片。图像60、65分别示出了在加热前和加热后的示例性体切片。在图像65中可以 看出，断裂的数量增大。方法还包括对加热前数据和加热后数据中的每一个执行至少一个 滤波过程（框52)。在所示实施例中，该至少一个滤波过程包括中值滤波过程。
[0064] 该方法包括通过执行至少一个第一边缘检测过程来生成加热前数据，通过执行至 少一个第二边缘检测过程来生成加热后数据（框53)。在某些实施例中，该至少一个第一和 至少一个第二边缘检测过程中每一个都包括检测样本中的断裂和额外的断裂的边缘，掩盖 加热前数据和加热后数据中的边界，以及对加热前数据和加热后数据执行伽玛校正操作。 [0065] 生成加热前数据还包括在至少一个第一边缘检测过程之后执行至少一个第一团 块过滤过程，而生成加热后数据还包括在至少一个第二边缘检测过程之后执行至少一个第 二团块团块过滤（框54)。然后，在框55对数据进行转换，其中，将多个切片转换为体（框 62)。
[0066] 图像70,75,80,85示出了在体积测定处理的不同的阶段的加热前数据（框43)。 图像70表示摄取的体切片，而图像75表示在至少一个第一边缘检测过程之后的体切片。 图像80表示至少一个第一团块过滤之后的体切片，而图像85表示完成的体（组装的体切 片）。
[0067] 图像90,95,100,105示出了在体积测定处理的不同的阶段的加热后数据（框43)。 图像90表示摄取的体切片，而图像95表示在至少一个第二边缘检测过程之后的体切片。图 像100表示至少一个第二团块过滤之后的体切片，而图像105表示完成的体（组装的体切 片）。有利地，完成的体图像85,105清楚地演示了样本35中的检测到的变化。
[0068] 现在另外参考图10A-12B，示出了体积测定断裂可视化的几个图像。具体而言，图 像110和115分别示出了加热前以及加热后，带有团块阈值50以及团块最小值50的团块 3D点。图像120和125分别示出了加热前以及加热后，带有团块阈值30以及团块最小值 30的团块3D点。最后，图像130和135分别示出了加热前以及加热后，带有团块阈值25以 及团块最小值50的团块3D点，这会产生最轻松地可查看的变化。
[0069] 如此处表1和2所示，扫描的定量结果表明，加热后具有比加热前多760906/61622 =12. 3倍的结构量，或与加热后体相比，加热前体只具有8. 1 %的结构量。页岩样本中的每 一体素都具有173. 63微米的长度。
[0070]
【权利要求】
1. 一种用于预测地下岩层中的烃类开采的方法，包括： 生成与来自所述地下岩层的样本中的断裂相关联的加热前数据； 基于加热前数据确定至少一个第一分形图案； 利用射频RF功率加热所述样本，以导致所述样本中的额外的断裂； 在利用RF功率加热之后生成与所述样本中的额外的断裂相关联的加热后数据； 基于加热后数据确定至少一个第二分形图案； 检测至少一个第一分形图案与至少一个第二分形图案之间的变化；以及 基于所检测到的变化，预测从所述地下岩层的烃类开采。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，检测变化包括检测断裂中的体积测定变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中，加热前数据包括三维映射加热前数据；并且其中加 热后数据包括三维映射加热后数据。
4.如权利要求3所述的方法，其中，确定至少一个第一分形图案基于三维映射加热前 数据中体素的至少一个邻近区域；并且其中确定至少一个第二分形图案基于三维映射加热 后数据的体素的至少一个邻近区域。
5.如权利要求1所述的方法，其中，生成加热前数据和加热后数据包括使用计算层析 成像CT扫描。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，检测变化包括执行互信息计算。
7.如权利要求1所述的方法，其中，每个分形图案包括相关联的分辨率和相关联的分 形图案类型。
8. -种用于从地下岩层的样本预测地下岩层中的烃类开采的设备，所述设备包括： 射频RF天线； 传感器；以及 处理器，所述处理器被耦合到所述RF天线和所述传感器，并被配置成 所述传感器生成与所述样本中的断裂相关联的加热前数据， 基于加热前数据确定至少一个第一分形图案， 利用来自RF天线的RF功率加热所述样本，以导致所述样本中的额外的断裂， 在利用RF功率加热之后，通过所述传感器，生成与所述样本中的额外的断裂相关联的 加热后数据， 基于加热后数据，确定至少一个第二分形图案， 检测至少一个第一分形图案和至少一个第二分形图案之间的变化，以及 基于所检测到的变化，预测从所述地下岩层的烃类开采。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述处理器被配置成通过至少检测断裂中的体积 测定变化而检测变化。
10. 如权利要求8所述的设备，其中，加热前数据包括三维映射加热前数据；并且其中 加热后数据包括三维映射加热后数据。
【文档编号】E21B43/24GK104514534SQ201410443130
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】M·拉赫姆斯, M·阿克巴里, M·麦克哥安格勒, M·布鲁 申请人:哈里公司