用于确定地岩层流体特性的组合地面电磁测量与钻井电磁测量的系统及方法

专利名称：用于确定地岩层流体特性的组合地面电磁测量与钻井电磁测量的系统及方法
技术领域：
本发明总体上涉及地下地球结构的地球物理学测绘领域。更具体地，本发明涉及对地球地岩层的含量或组成随时间的变化进行测绘的系统和方法。
背景技术：
用于确定地球的地下结构的地球物理学测绘技术主要包括例如地震勘测、大地电磁勘测和受控源电磁勘测及其他勘测技术。在地震勘测中，在地球表面(或是在用于各种海洋地震勘测的海水表面附近或海底上)布置地震检测器阵列，在地震检测器阵列附近的位置处的地球表面上或地球表面附近激活一个或多个地震能量源。由与通过阵列中的各个检测器检测到的地震能量相对应的信号形成记录，相对于所述地震能量源的激励时间来检索该记录。地震能量从源向下传播，并从地表以下的声阻抗边界反射。由检测器检测所反射的能量。在现有技术中已知各种技术，用于根据对与所反射的地震能量相对应的信号进行的记录来确定在检测器阵列下面和/或检测器阵列附近的地下地球地岩层的结构。在现有技术中已知的其它技术提供了根据诸如反射能量的相位和/或振幅的特征，对多孔地球地岩层中的流体含量进行估计。
用于地震测绘的特殊技术包括，在首次勘测执行之后，在所选择的时间上对地球的同一地下区域进行充分地再勘测。这种重复的地震勘测的一个目的是确定在可渗透的地球地岩层的孔隙中的流体运动的程度。对流体运动测绘的一种特定应用是确定从这种可渗透地岩层产生的诸如汽油的作为经济上可利用的流体的地下储层含量的变化。在现有技术中，将这种重复的地震勘测称为四维(4D)地震勘测。利用4D地震勘测，例如可以确定从含有石油的可渗透地岩层(“储层”)中抽取了油和/或气体并已由水替代的位置。这种对油、气体和水的运动的确定对于确定是否可能从穿透储层的特定钻井中意外产生水尤其有用。4D地震勘测也可以用于在考虑油和/或气体在储层中从它们的初始确定的位置运动的情况下，确定钻通地表以产生油/或气体的钻井的预期位置和/或地质目标。
4D地震勘测具有的优点是相对容易执行，以及能够在无需在大量空间分离的位置处穿透储层的情况下对地下的流体运动进行测绘。
然而，利用4D地震技术确定地球地岩层中的流体运动要求在当待监测的流体含量随时间变化时，该流体使所处的地岩层经历地震特性的可检测的变化。在某些情况下，诸如在储层中的油和水具有相似的声学特性的地方，利用4D地震可能难以监测在储层中的油和水的运动。
在现有技术中已知的另一种地下结构确定方法是大地电磁(MT)勘测。例如，在K.Vozoff的The Magnetotelluric Method in theExploration of Sedimentary Basins，Geophysics 37，98-141(1972)中介绍了MT勘测。一般而言，地下结构测绘的MT方法包括在地球表面上布置电场和磁场检测器阵列。通过地球电离层中的离子流的运动在地球中感生出电磁场。电离层电流主要感生出向下辐射并进入地球的平面电磁波。检测器阵列检测地球地岩层中的由平面波感生的电场和磁场。沿着地球表面的任何位置处的由平面波感生的电磁场的大小与地球中的导电材料的空间分布有关。MT测绘方法的优点是使用相对便宜的、易于布置的检测器，并且无需单独的能源来激励地球地岩层。然而，MT技术要求被测绘的结构是充分导电的，以产生在地球表面上的可测量的电磁场分量。例如，与周围的地球地岩层相比较，含石油的地岩层是电阻性的。从而，实践证明单独使用MT技术来测绘石油(油或气体)的运动是困难的。
用于监测地球地岩层中的流体的运动的其它系统和技术包括在所选择的钻入地球的钻井中布置有多个永久设置的检测器。这种检测器可以包括阻电检测器、自然辐射检测装置、声波检测器以及现有技术中已知的用于监测流体的运动的其它类型的检测装置。例如，见授予Aronstam的美国专利No.5,886,255。使用诸如在Aronstam’255专利中公开的技术，由于在这项技术中使用大量的传感器系统，所以可能成本昂贵，并且相对而言，有些不可靠。例如，在以下文章中描述了使用永久设置的传感器的用于储层监测和/或生产控制的其它系统授予Tubel等人的美国专利No.5,597,042和授予Tubel等人的美国专利No.5,662,165。由Vinegar等人在已公布的美国专利申请No.2002/0043369 A1中公开了用于井下测量的地球物理学系统，并且主要包括温度、压力和声波检测器。
用于监测储层中的石油运动的其它技术包括利用脉冲中子(中子俘获截面)仪器在选定时间进行“测井”，该仪器例如是Baker Hughes，Inc.，Houston，Texas的商标名为PDK-100的一种产品。测井包括将测量仪器下放到钻井的钻管、盘管的末端处，或者最常见为下放到设有防护的电缆的末端处。当将仪器移入或移出钻井时，由仪器针对其测量深度进行记录。这样的测井技术提供了在各勘测钻井内进行勘测的碳氢化合物/水接触深度的确定。随时间的流逝，作为产生油和/或气的储层，则穿透储层的各钻井中的接触深度可能会改变。通过在选定时间确定在多个钻井中的深度，这样可以确定接触分布随时间的变化。测量单个钻井是困难且昂贵的，尤其是当钻井在生产时，因为在进行测井操作时必须停止(“切断”)来自钻井的石油生产。使用现有技术中已知的测井技术，来切断并测量大量的钻井以确定接触分布的变化可能是很困难并很昂贵的。另外，某些储层可能没有足够数量穿透储层的钻井来对接触分布中的变化进行精确测绘。
由Torres-Verdin等人在美国专利No.5,767,680中公开了对地岩层的导电部分进行测绘的方法，其中，使用了AC和DC的电测量来限定油水界面的形状和位置。
诸如在美国专利No.6,266,619 B1中公开的其它方法包括地下开采数据和与生产历史相符的数据，以使油井控制达到优化。
因此，所需要的是一种用于对地球地岩层的流体含量的变化进行测绘的系统，该系统可用于在运动的流体之间存在很小的声阻差异的情况，该系统可用于在运动的流体是相对电阻性的情况，以及该系统不要求在几乎每一个穿透储层的钻井中都有永久设置的检测器。

发明内容
本发明的一个方面是一种用于检测储层的方法。该方法包括在沿着地球表面所选的多个位置处进行第一组电磁测量；以及根据布置在钻井中的接近储层的至少一个检测器进行第一测量。根据该第一电磁和第一检测器测量来确定初始地球模型。该初始地球模型包括流体接触。在所选的时间上重复检测器和电磁测量，并根据所重复的测量来确定流体接触的空间分布。
本发明的另一方面是一种用于对地球内部结构进行测绘的系统。根据本发明该方面的系统包括在地球表面上以所选图案布置的多个电磁检测器；在接近于要测绘的地下结构而开钻的钻井中布置的至少一个检测器；以及根据由所述电磁检测器和所述至少一个检测器进行的测量来对地下结构进行测绘的装置。在某些实施例中，电磁检测器包括大地电磁检测器。在某些实施例中，电磁检测器包括受控源电磁感应检测器。
本发明的另一方面是一种用于监测储层的方法，该方法包括在沿地球表面的多个位置处进行第一组电流测量。根据钻井中的接近储层布置的至少一个检测器来完成该第一组测量。根据第一电流和第一检测器测量来确定初始地球模型。初始地区模型包括流体接触的空间分布。根据该方面的该方法包括在所选时间上重复该检测器测量和该电流测量，并根据所重复的测量来重复确定流体接触的空间分布。根据本发明的这一方面的方法的某些实施例包括进行诸如感应电磁测量或大地电磁测量的电磁测量。确定初始地球模型和确定流体接触的空间分布考虑了电磁测量。
本发明的其它方面和优点将通过以下的说明和所附权利要求而明了。


图1示意性地示出了根据本发明的系统的一个示例；图2示出了根据本发明的地面测量的另一实施例；
图3示出了根据本发明的地面测量的另一实施例；图4示出了根据本发明的方法的示例实施例的流程图。
具体实施例方式
图1示意性地示出了根据本发明的组合测量系统的一个实施例。在该实施例中，在地球表面11上按所选的排列或图案，通常在H处部署多个大地电磁(MT)检测器(每一个都表现为三维(三分量)磁场检测器)，通常在E处部署电场分量检测器。优选地将检测器E和H部署在待检测的石油产生储层12的地下位置的附近。检测器E、H可以永久地设置在该地面或地下附近，但是在某些实施例中，可以仅在要进行MT测量时才部署这些检测器。将通过检测器E、H进行的测量引入记录单元10，以便由根据本发明的一个或者多个方法来进行记录和/或处理。在图1中所示的检测器E、H的实施例可以是一般用于干燥的陆地表面的检测器，或者是现有技术中已知的任何类型的海洋MT检测器。海底MT检测器的示例见美国专利No.5,770,945。MT检测器的准确数量和排列取决于诸如储层12的地理范围和储层12的深度的因素，或其它因素。因此，MT检测器的数量和排列不限于本发明的范围。
储层12可以是现有技术中已知的任何类型的可渗透地球地岩层，以从形成储层12的岩石的孔隙中产生例如石油。在该示例中，储层可以穿过断层14或类似的地质中断而在12A处延伸，该地质中断在断层14的一侧上形成了适当的结构或“陷阱”。在该示例中，储层12包括通常处于含水区17之上的含油区16。如在现有技术中已知的，当从含油区16去除油时，在很多储层中的含水区17中的原生水会移动进入储层12中的因抽出油而空出的孔隙中。
本系统的实施例包括至少一个监测钻井18，将其钻到接近或穿透储层12。监测井18包括在其中的至少一个检测器20，该检测器的响应至少部分地取决于储层12的流体总含量。例如，声速(间隔传输时间)检测器、地震检测器(水诊器或地震检波器)以及电阻率检测器都具有至少部分地取决于储层12的流体含量的响应。对本发明有用的其它类型的检测器包括中子俘获截面检测器和容积密度检测器。前述每种类型的检测器及其操作都是现有技术中所熟知的。
当从储层12去除油时，流体接触15的位置会改变，通常随着油的去除油而向上移动。随着流体接触15在储层12中移动时，储层12的诸如电阻率或声阻抗的特性会改变。在某些实施例中，监测钻井18可以是通过该钻井从储层12抽取了流体的钻井。在其他实施例中，该监测钻井18也可以是不从该钻井抽取流体的单独的钻井。在某些实施例中，可以将来自钻井18中的至少一个检测器20的测量记录在存储装置(未单独示出)和/或传送到用于记录和解释的记录单元10。
可以通过现有技术中的多种方法中的任意一种，将至少一个检测器20部署在监测钻井18中。在某些实施例中，诸如通过附着到钻管或外壳(未示出)来将检测器20永久地设置在监测钻井18中。在其它实施例中，可以通过设有防护的电缆将检测器20传送到监测钻井18中(称为“电缆测井”)。在其他的实施例中，可以将检测器20在钻管或盘管的末端上传送(称为“管传送测井”)。
在某些实施例中，可以存在多于一个的监测钻井和布置在其中的相关检测器。使用多个监测井和相关检测器可以扩大覆盖区域，以在具有更大的地理范围的储层中确定流体的运动。在其他实施例中，在一特殊的地理区域中可以监测多于一个的储层。在一些实施例中，在一个或多个专门打钻的监测井分别具有永久设置的检测器，而为了获得储层监测测量，可以通过经由诸如有线线路或管传送来传送所选类型的检测器，来在所选时间使用为生产油和/气的目的而钻通储层12的其他钻井。
在根据本发明的方法的一个实施例中，进行第一组MT测量，并优选地，在油和/或气生产开始之前，或在油和/或气生产刚刚开始之后记录该测量。而且在监测钻井18中同时或几乎同时地进行根据至少一个检测器20的第一组测量。
在该实施例中，生成第一地球模型。第一地球模型表示地下地质结构，其包括接触15的第一或初始位置。可以利用地面地震勘测结合任意一种或多种公知的地下测绘技术来确定该初始结构，其中该地下测绘技术包括使用来自任一个或多个穿透储层打钻的钻井中的钻井日志和/或来自监测钻井18的检测器20测量。因此，第一组MT测量和第一组检测器测量与储层12中的初始流体状态相对应。另选地，可以通过逆处理MT测量和检测器20测量来确定第一地球模型，以使得包括例如从测井测量和/或地面地震测量得知的接触15的结构和位置在内的地球结构，与根据地球结构作出的一组预测MT测量和根据检测器20的一组预测测量最匹配。
当从储层12提取流体时，可以在多个选定的时间上进行额外的多组MT测量，并与来自检测器20的后续的测量相结合。可以通过对于对初始测量组(包括MT测量和检测器测量的测量组)进行的MT测量和检测器20测量进行逆处理，从而确定在远离监测钻井18的位置处的接触15的位置变化。
在某些实施例中，可以证明，为了提高在远离监测钻井18的位置处对接触15测绘的精确度，将来自穿透储层12打钻的其它钻井的测量包括在内是有用的。这些钻井可以包括如前面所说明的流体生产钻井和/或专用监测的钻井。在这样的实施例中，将来自一个或多个监测钻井中的检测器的测量与在地球表面上进行的测量相结合，来在所选的时间上对接触15的地理分布进行测绘或确定。正如本领域的那些技术人员容易理解的那样，可将监测钻井的数量、永久设置的检测器的数量和检测器的数量和类型选择为最适合所监测的特定类型的储层。可能影响对置于钻井的检测器的类型和数量的选择的储层参数包括储层的渗透性；储层的含碳氢化合物部分和储层的任何含原生水的部分之间的导电差异；以及储层的地理范围。例如，利用较多数量的空间分离的监测钻井，对在很大的地理区域上延伸的储层的监测要比对地理上较小的储层的监测更精确。相应地，利用在空间上更加靠近的监测钻井就能更加精确地监测具有高垂直渗透性的储层地岩层。因此，监测钻井的数量，以及这样的钻井是否包括永久设置的或可拆卸地传送的检测器(诸如通过钻管或有线线路传送)并不是为了限制本发明的范围。
MT测量仅是根据本发明的在地球表面上进行的多种测量类型的一个实施例。针对在地球表面的检测器，图2中示出了根据本发明的系统的另一示例。在图2的示例实施例中，在储层(图1中的12)附近的地球表面上的所选位置处，布置有多个受控源电磁检测器，通常示出为线环22。在该实施例中，环22可操作地连接到记录系统24。记录系统24包括现有技术中已知的具有以下功能的任何类型的电路(未单独示出)，该电路用于使所选类型的电流通过环22，并且用于接收并解释由于地球中的感应电磁场而在环22中感生的电压。如在现有技术中已知的，电磁场是由通过一个或多个环22的电流的作用而感生的。通过一个或多个环22的电流可能是具有一个或多个所选频率的基本上连续的可变电流，从而可以通过现有技术中已知的频域技术来形成地下的图像。另选地，通过一个或多个环22的电流可能持续时间很短的(瞬变的)，由此能够使用现有技术中已知的诸如LOTEM(长偏置瞬变电磁)成像的技术对地下进行成像。如在前面的实施例中，可以将地球的地下图像与来自监测钻井(图1中的18)中的检测器(图1中的20)的数据相组合，以在所选的时间上确定接触(图1中的15)的地质分布。
图3中示出了根据本发明的系统的又一实施例。在储层(图1中的12)附近的地球表面上的所选位置处布置有多个受控源电流检测器，通常示出为电偶极子26。在该实施例中，电极26可操作地连接到记录系统24。记录系统24包括现有技术中已知的具有以下功能的任何类型的电路(未单独示出)，该电路用于使所选类型的电流通过电极26，并且用于接收并解释由于地球中感应的电场而在电极26中感生的电压。如在现有技术中已知的，电磁场是由通过一个或多个电极26的电流的作用而感生的。通过一个或多个电极26的电流可能是基本上连续的，从而可以通过现有技术中已知的频域技术来形成地下的图像。如在前面的实施例中，可以将地球的地下图像与来自监测钻井(图1中的18)中的检测器(图1中的20)的数据相组合，以在所选的时间上确定接触(图1中的15)的几何分布。
现在将参照图4的流程图，对根据本发明的各方面的用于监测流体接触的空间分布随时间的变化的方法进行说明。在30，与如前面所述的在一个或多个生产钻井中、或一个或多个监测钻井中进行的第一组测量一起，在地球表面上进行诸如电磁测量或受控源EM测量的第一组电磁测量。另选地，或附加地，在30A处，可以进行第一组电流测量。随后，在32，使用钻孔测量、以及电磁和/或电流测量，以生成地球地下结构的初始模型。在某些实施例中，使用逆处理来生成该初始模型。如前面所说明的，该初始模型包括流体接触(图1中的15)的空间分布。在所选的时间段之后，在36，重复在地球表面上进行的电磁测量和钻孔检测器测量，并在38生成一新地球模型。该新地球模型包括流体接触(图1中的15)的新空间分布。附加地或可选地，在36A，可以在地球表面进行电流测量，并且该测量可用于生成包括流体接触(图1中的15)的新空间分布的新地球模型。
针对图1、2和3所述的实施例还可以加入其它的实施例。在这些实施例中。部署在地球表面上或附近的检测器可以是大地电磁、受控源电磁或受控源电流检测器的任意适当组合。在组合了电流和电磁地面测量的多个实施例中，确定初始地球模型和流体的空间分布的处理应该考虑实际使用的所有表面测量。类似地，在这些实施例中，重复对流体接触的空间分布的确定应该在进行这些测量的同时考虑所有的地面测量。
尽管针对有限数量的实施例说明了本发明，但是对于本领域的那些可受益于该公开的技术人员，应该理解，可以作出不脱离在此公开的本发明的范围的其它实施例。因此，本发明的范围应该由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于监测储层的方法，该方法包括以下步骤在沿着地球表面的多个位置处进行第一组电磁测量；根据在钻井中接近于所述储层处布置的至少一个检测器来进行第一测量；根据所述第一电磁测量和第一检测器测量来确定初始地球模型，该初始地球模型包括流体接触的空间分布；在所选的多个时间上重复所述检测器测量和电磁测量；以及根据所述重复测量来重复确定所述流体接触的空间分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个检测器具有至少部分地受储层的流体含量影响的响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个检测器包括电阻率检测器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个检测器包括地震检测器。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个检测器包括声速检测器。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个检测器包括密度检测器。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个检测器包括中子俘获截面检测器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定所述初始地球模型的步骤包括对来自所述至少一个检测器的第一测量和所述第一组电磁测量进行逆处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定所述流体接触的空间分布的步骤包括对来自所述至少一个检测器的所述测量和所述第一组电磁测量进行逆处理。
10.根据权利要求1所述的方法，其中将所述至少一个检测器永久设置在接近于所述储层开钻的钻井中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用有线线路、钻管和盘管中的至少一个将所述至少一个检测器传送到钻井中用于进行测量。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁测量包括大地电磁测量。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁测量包括受控源电磁感应测量。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述感应测量包括频域测量。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述感应测量包括瞬变电磁测量。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括在沿地球表面的至少一个所选的位置处进行第一组电流测量，并且其中所述初始地球模型解释了第一组电流测量的效果。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在多个所选的时间上重复进行电流测量，并且其中所述重复确定流体接触的空间分布解释了重复的电流测量。
18.一种用于监测储层的方法，该方法包括以下步骤在沿着地球表面的多个位置处进行第一组电流测量；根据在钻井中接近于所述储层处布置的至少一个检测器来进行第一测量；根据所述第一电流测量和第一检测器测量来确定初始地球模型，该初始地球模型包括流体接触的空间分布；在所选的多个时间上重复所述检测器测量和电流测量；以及根据所述重复测量来重复确定所述流体接触的空间分布。
19.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个检测器具有至少部分地受储层的流体含量影响的响应。
20.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个检测器包括电阻率检测器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个检测器包括地震检测器。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个检测器包括声速检测器。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个检测器包括密度检测器。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一个检测器包括中子俘获截面检测器。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述确定所述初始地球模型的步骤包括对来自所述至少一个检测器的第一测量和所述第一组电流测量进行逆处理。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述确定所述流体接触的空间分布的步骤包括对来自所述至少一个检测器的第一测量和所述第一组电流测量进行逆处理。
27.根据权利要求19所述的方法，其中将所述至少一个检测器永久设置在接近于所述储层开钻的钻井中。
28.根据权利要求19所述的方法，其中通过使用有线线路、钻管和盘管中的至少一个将所述至少一个检测器传送到钻井中，用于进行测量。
29.根据权利要求19所述的方法，还包括在地球表面附近的至少一个位置处进行第一组电磁测量，并且其中所述确定所述初始地球模型的步骤解释了第一组电磁测量。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述电磁测量包括大地电磁测量。
31.根据权利要求29所述的方法，其中所述电磁测量包括受控源电磁测量。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述受控源电磁测量包括瞬变电磁测量。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述受控源电磁测量包括频域测量。
34.一种用于对地球内部的结构进行测绘的系统，该系统包括以所选择的图案布置在地球表面上的多个电磁检测器；在接近于待测绘的地下结构而开钻的钻井中布置的至少一个检测器；以及测绘用装置，用于根据所述电磁检测器和所述至少一个检测器进行的测量来对所述地下结构进行测绘，所述测绘用装置包括用于确定地球内部的流体含量的空间分布的装置。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述测绘用装置包括用于对通过所述电磁检测器和所述至少一个检测器得到的测量结果进行逆处理的装置。
36.根据权利要求34所述的系统，其中所述至少一个检测器具有至少部分受储层的流体含量影响的响应。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述至少一个检测器包括电阻率检测器。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述至少一个检测器包括地震检测器。
39.根据权利要求36所述的系统，其中所述至少一个检测器包括声速检测器。
40.根据权利要求36所述的系统，其中所述至少一个检测器包括密度检测器。
41.根据权利要求36所述的系统，其中所述至少一个检测器包括中子俘获截面检测器。
42.根据权利要求34所述的系统，其中所述电磁检测器包括受控源电磁感应检测器。
43.根据权利要求42所述的系统，其中所述感应检测器包括连续波检测器。
44.根据权利要求42所述的系统，其中所述感应检测器包括瞬变电磁检测器。
45.根据权利要求34所述的系统，其中所述电磁检测器包括电流检测器。
46.根据权利要求34所述的系统，其中所述电磁检测器包括大地电磁检测器。
47.根据权利要求34所述的系统，还包括布置在接近于所述地球表面处的至少一个电流检测器。
全文摘要
公开了一种用于监测储层的方法。该方法包括在沿着地球表面的多个位置处进行第一组电磁测量；根据在钻井中的接近于所述储层处布置的至少一个检测器来进行第一测量；并且根据所述第一电磁和第一检测器测量来确定初始地球模型。该初始地球模型包括流体接触的空间分布。在所选的多个时间上重复所述检测器测量和电磁测量；并且根据所述重复测量来确定所述流体接触的空间分布。
文档编号G01V3/18GK1774647SQ200480005596
公开日2006年5月17日 申请日期2004年2月24日 优先权日2004年2月24日
发明者库尔特·马丁·斯泰克 申请人:Kjt企业公司