专利名称：流动监测装置及其所应用的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量地层中流体流动的方法；特别是地层中的液体、气体和混合流体的流率的测量。
随着钻井施工技术例如横井和多边井的石油钻探工业的最新发展，出现了对完井和采油工程规范的新挑战。在深水条件下的高负荷横井还推动石油工程师使用的技术工具的完善，以用来安全和谨慎地开采产油层。
储集层监测的典型方法适于井开采地带的渗透性(“K”)和高度(“H”)是已知的。该“KH”经常周期性的由生产测井确定，并且通常认为是常数。对大多数储集层计算来说，井的“KH”是首要的。在横井或多边井中，穿透储集层的井筒的H由电测井法得知，并最近由钻井同时测井的技术得知。但是，已记录的储层层段可能与实际促进井开采的H不同，而且事实上H可随时间而变化。
工业上对横井和多边井中的流入特性的假设采取了消极(lazefaire)态度。与流入量井动态相关的主要假设是基于表面数据(即流率，压力，含水量等)、可能的井下压力计、和经验规则。事实是这些假设可导致不良井动态，不良的储集层管理，完井设备的损坏，和在最坏的情况下井的灾难性毁坏。
采油工程师或生产工程师目前仅可获得的监测“H”的变化和损失的方法是在井干预期间运行钢丝绳或配置管道的生产测井。这些测井记录特别是在水平和大斜度井的情况下难于解释。这是由于流量计不能测量3相流率，通常在文献中认为是水阻滞(water hold up)和气体漏出(gas blow by)。生产测井的该方法需要钻机移动，这会导致在测井设备的钻机上和下的过程中开采损失，并且出现了井内设备松脱的危险。生产测井并非总是可能的(例如，一些海底完井或井，其中安装电潜水泵(ESP))。而且，因为生产测井数据经解释分析，经常会由此决定不运行生产测井组。最后的结果是通过在表面处增加节流器尺寸维持开采。这可能导致更大危险，并且最终导致筛板和井筒故障，或较大含水的水合物开采，以及冒油或冒气。
本发明的方法提供直接在地层的被测区域中检测流体流动的装置，所述方法包括在所述地层中放置至少一个源；在所述被测区域内放置至少一个传感器，其中每个所述至少一个传感器靠近至少一个源，这样所述传感器测量由所述源导致所述流体的变化；提供至少一个用来将数据从每个所述至少一个传感器传到至少一个数据收集装置的装置，所述至少一个数据收集装置能够与一个操作者连通。
还提供一种方法，该方法用来在井身在线时监测井筒的被测区域内的流体流动，所述方法包括在所述被测区域中放置至少一个源，该源从热源、声源和其组合中选择；在所述被测区域中放置至少一个传感器，该传感器从热传感器、声传感器和其组合中选出来，其中每个所述至少一个传感器靠近至少一个源，这样所述传感器测量由所述源导致的所述流体的改变；提供至少一个用来将数据从每个所述至少一个传感器传送到至少一个数据收集装置的装置，所述至少一个数据收集装置能够与操作者相通。
本发明的方法提供监测流体流动的一种措施，其中流体指地层中的液体或气体或液体与气体的混合物。测量直接在希望测量的区域内进行。在自喷井的情况下，在开采井的同时进行测量。热和/或声源放置在流体流动路径上，能够检测温度或声音的变化的传感器靠近源放置，以检测源导致的流体变化。
本发明的一个实施例提供一种方法，该方法用来检测地层的被测区域内的流体流动。至少一个源放置在地层中。放置是相当长久的，这意味着源经设置好，然后留在测量地带。至少一个传感器也放置在被测区域中。每个传感器应该靠近一个或多个源，该传感器足够靠近源以便测量源导致的流体变化。还必须提供至少一个装置，用来将数据从传感器传送到至少一个数据收集装置。数据收集装置可以在地下，在表面上，或者在空气中，但是它必须能够与操作者联系。如同这里所使用的，一个操作者可以是一个对象，例如操作站或人。
源可以是光源、电热源、声源或其组合。实例包括热敏电阻、光加热器、连续加热元件、电缆、声纳发生器和振动发生器。因为它最适宜限制地层的局限，优选传感器是光导纤维，这些光导纤维小到不产生干扰。光导纤维还可用作数据传送装置，因此用作两个目的。源和传感器最好垂直于流体流定位。
当地层是井时，被测的流体流动区域典型地在井筒中，该井筒是垂直、水平或倾斜的。配置传感器和以相当不干扰的方式的数据链路的装置经过空管状部件。
希望本发明的系统使用已知为微光传感技术(“MOST”)的应用钻井技术来完成钻井。MOST允许在潜水设备中的传感设备的小型化。从根本上，石油和天然气井环境具有受限的温度和压力的几何条件和敌对条件。MOST能用在这些环境中，这是由于其能够使用非常小直径的数据链路(光纤)并且使用传感器可以承受超过200℃的温度。
因为源，传感器和数据链路永久地安装在地层的希望区域中，不需要井干预，例如生产测井。该方法可提供在实时基础上的地层的井底流入动态轮廓，并且可以监测沿地层的多级流探测节点。
热源和传感器的使用将作为一个实例。一系列电或光能的热源可以平行于一系列热传感器沿井身轴线布置。热源可以是多种形式，包括但不仅限于单点发热元件例如电热调节器、光发热器、或连续的发热元件例如电缆。
热传感器最好是单或多光导纤维。这些纤维可以放置在多种装置和多种几何形状的井中。保护纤维以便使其不暴露在氢中的一个配置实例是，在小空心元件例如管子中安排温度传感器和数据链路。通过在发热器前，在发热器后或在这两个情况下，将光导纤维放在流动流中，来形成流动监测系统。其它实施例使用相互平行放置，以盘绕结构相互围绕，和许多其它几何形状的光导纤维和发热器。优选实施例在井身中垂直于流体流动方向布置热源和热传感器，这样热源加热了流体，当热传感器测量流过热源的流体流的热变化。然后，根据下面简化的热流公式，该系统形成了一系列经典的热流计Q=WCp(T2-T1)其中Q=传递的热量(BTU/Hr)；W=流体的质量流率(1bm/Hr)；和Cp=流体的比热(BTU/1bm°F)。
流量计的精度依赖于流动流体的比热数据的精度。井中的流体的比热随时间、流动压力和储集层条件(例如锥形)而变化。
适宜的井开采需要热源和温度测量设备小，且不会侵入井身的内径内侧。无侵入的布置允许井完全打开，这样允许设有永久安装的源，传感器和数据链路的完井采用激励、压榨或测井技术。
本发明的优选的传感器和/或数据链路是光导纤维。光导纤维是稀有玻璃纤维，通过许多不同涂层并且通过影响它们的光学特性的各种不同的生产方法得到该纤维。当暴露在氢中时，光导纤维功能快速降低，并且当然地下水是易获得的氢载体。因此，纤维必须放置在载体中。但是，光导纤维的另一个特性允许一个纤维读取沿纤维长度的多种变化，一个明显的优点。
纤维可以用在石油和天然气井中，并结合使用光学时间延迟反射计(“OTDR”)装置(通常称作“内在测量”)。沿纤维的内在感测利用了量子电动力学(“QED”)。QED涉及亚原子粒子科学例如光子，电子等。对这种应用而言，兴趣在于经非常特殊的玻璃亚原子基体的光子运动。对每个特定光导纤维而言，已知与二氧化硅亚原子结构相互作用的光子的可能性或可能性幅度。作为在玻璃亚原子结构中的热影响的函数的光的最终反向散射具有与光导纤维的折射率公知的关系。经光导纤维吸取或发射的光的能量和频率，允许计算在给定长度上沿光导纤维发出或反向散射的预定光和频率。
本发明的方法使用OTDR和热和/或声源以测量井中的流动。可监测到每个节点的流动随时间的变化，提供实时的永久基础上的定性测量。已知使用玻璃和激光，可以根据下面公式用“OTDR”测量反向散射返回的能量Pbs(1)=1/2 P0Δt VgCsNA2exp(∫-2αdx)其中Pbs=从距离1返回的反向散射能量；P0=发射能量；Δt=源时间脉冲宽度，以时间为单位；Vg=群速；Cs=散射常量；NA=纤维的数值孔径；和α=总衰减损失系数。
OTDR可以成功地且可重复地测量作为温度函数的反向散射的变化，该变化由光导纤维的激光脉冲的光波，通过相关的Cs和α导致。Cs≌(αr)C0+(αs)C0+Pc/Pt(αs)d和α=αC0+Pc/Pt(αd)其中αr=Raman散射系数；αs=瑞利散射系数；()C0=与纤维芯相关的参数；()C1=与纤维包层相关的参数；和Pcl/Ptotal=在包层中由于渐消失波效应产生的整个能量的比。
OTDR装置使用激光源、光导纤维；连接纤维的定向耦合器、光电接收机、信号处理器和数据采集装置。
本发明的方法不需要表面干预即可简单的在井下实施，并且允许使用4D地震和其它技术监测井下储集层特性。本发明还用于其它流动过程(即管道、炼制过程等)。显然，只要不超出这里提出的本发明的实质和范围，本领域的普通技术人员还可对本发明进行许多改动和修改。
权利要求
1．一种在地层的被测区域中监测流体流动的方法，所述方法包括在所述地层中放置至少一个源；在所述被测区域放置至少一个传感器，其中每个所述至少一个传感器靠近至少一个源，这样所述传感器测量由所述源导致的所述流体的变化；提供至少一个用来将数据从每个所述至少一个传感器传送到至少一个数据收集装置的装置，所述至少一个数据收集装置能够与一个操作者联系。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述源从光源、电热源、声源和其组合中选择。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于所述源从热敏电阻、光发热器、连续加热元件、电缆、声纳发生器、振动发生器和其组合中选择。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述传感器是一个或多个光导纤维。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述一个或多个传感器和所述一个或多个源垂直于所述流体流向定位。
6．一种用来监测井筒被测区域内的流体流动的方法，所述方法包括在所述被测区域中放置至少一个源，该源从热源、声源和其组合中选择；在所述被测区域中放置至少一个传感器，该传感器从热传感器、声传感器和其组合中选择，其中每个所述至少一个传感器靠近至少一个源，这样所述传感器测量由所述源导致的所述流体的变化；提供至少一个用来将数据从每个所述至少一个传感器传送到至少一个数据收集装置的装置，所述至少一个数据收集装置能够与操作者联系。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于所述源从光源、电热源、声源和其组合中选择。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于所述源从热敏电阻、光发热器、连续加热元件、电缆、声纳发生器、振动发生器和其组合中选择。
9．如权利要求6所述的方法，其特征在于所述传感器是一个或多个光导纤维。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于所述传感器和数据链路布置在空心管件内。
11．如权利要求6所述的方法，其特征在于在所述井筒的所述被测区域内，所述一个或多个传感器和所述一个或多个源垂直于所述流体流定向。
全文摘要
本发明提供一种在地层的被测区域内监测流体流动的方法,所述方法包括在所述地层中放置至少一个源;在所述被测区域放置至少一个传感器,其中每个所述至少一个传感器靠近至少一个源,这样所述传感器测量由所述源导致的所述流体的变化;提供至少一个装置,该装置用来将数据从每个所述至少一个传感器传送到至少一个数据收集装置,所述至少一个数据收集装置能够与一个操作者联系。
文档编号E21B47/10GK1292844SQ99803738
公开日2001年4月25日 申请日期1999年3月4日 优先权日1998年3月6日
发明者戴维·伦道夫·史密斯 申请人:国际壳牌研究有限公司