ПОСТОЯННЫЙ СКВАЖИННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ИСТОЧНИК

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к генерированию сейсмических волн в скважине для исследования пласта-коллектора, находящегося в толще окружающих скважину (вмещающих) горных пород, а также для наблюдения за изменением характеристик пласта-коллектора. В частности, изобретение относится к способу и системе для наблюдения за прохождением сейсмической энергии, излучаемой из скважин, во вмещающие породы. Проникающие во вмещающие породы объемные сейсмические волны, которые генерируются в скважинных структурах, используются как в проектах межскважинных исследований, так и в проектах обратного вертикального сейсмопрофилирования (ОВСП), для поиска залежей углеводородов и иных минеральных полезных ископаемых и периодического наблюдения за их состоянием на протяжении срока эксплуатации продуктивного пласта.

Эта система позволяет вести наблюдение за распределением содержимого залегающего под землей месторождения на протяжении периода его эксплуатации с обеспечением долговременного управления природными ресурсами. В такой системе используются волны давления, генерируемые в скважинных структурах, и в виде сейсмических волн, излучаемых во вмещающие породы. Временные изменения избранных параметров этих сейсмических волн, проходящих через месторождение между скважинами или между скважинами и сейсмоприемниками, могут указывать на происходящие со временем изменения в составе полезного ископаемого.

В нефтегазовой промышленности геофизические методы поиска и разведки используются обычно для поиска и оценки подземных залежей углеводородов. Как правило, при этом используют источник сейсмической энергии, генерирующий сейсмический сигнал, который распространяется в породе и по меньшей мере частично отражается подземными сейсмическими отражающими горизонтами (т.е. границами между пластами подземных пород с различным волновым сопротивлением или акустической жесткостью). Отражения сигналов регистрируются сейсмоприемниками, расположенными на поверхности или вблизи поверхности, в воде или же в скважинах на определенных глубинах; полученные сейсмические данные можно обработать с получением информации, касающейся местоположения подземных отражающих горизонтов и физических свойств подземных пород.

Для выяснения структуры пород, минеральных залежей и количественной оценки таких подземных ископаемых, как нефть, природный газ, вода, сера и т.п., проводят геофизические исследования. Геофизические методы исследований также могут использоваться для наблюдения за изменениями состояния месторождения, например за истощением месторождения в результате добычи полезных ископаемых, на протяжении периода его эксплуатации. Польза геофизического исследования зависит от возможности количественного измерения и оценки некоторых геофизических аналогов петрофизических параметров, по которым судят о присутствии конкретных полезных ископаемых.

Сейсмические методы могут применяться как в мониторинге месторождения при его эксплуатации для управления ресурсами, так и в разведке коллекторов углеводородов. Как известно геофизикам, на каждой из группы точек наблюдения периодически включают сейсмические источники акустических волн, расположенные на поверхности или вблизи нее, создавая в породе поле сейсмических волн или сейсмическое волновое поле. Сейсмические источники акустических волн обычно бывают импульсными или источниками свип-сигналов. Импульсный источник генерирует минимально-фазовую волну с очень крутым фронтом и очень малой длительностью, так или иначе имитируя генерирование импульса. Примером такого источника является взрыв.

Источник свип-сигналов или вибросейсмических сигналов может порождать управляемый волновой пакет, который образует довольно продолжительный зондирующий сигнал, длящийся от 2 до 30 секунд и гарантированно передающий достаточно большую энергию в недра. Метод исследований с использованием источников свип-сигналов или вибросейсмических сигналов основан на сжатии сигналов с обеспечением вертикального разрешения, достаточного для определения местоположения подземных отражающих горизонтов. Сжатие сигнала обычно называют деконволюцией, причем в технике известны многочисленные методы обработки сейсмических данных. При деконволюции свип-сигналов или вибросейсмических сигналов сигнал от источника сжимается в намного более короткий сигнал, характеризующий подземные отражающие горизонты. Точность и эффективность любой из методик деконволюции находятся в прямой зависимости от того, насколько сигнал от источника известен и распознаваем. Большинство операторов деконволюции исходят из статистических оценок формы волны сигналов, генерируемых реальным источником.

Источники свип-сигналов излучают энергию в виде развертки равномерно возрастающей частоты (свип-сигнал с разверткой вверх) или равномерно понижающейся частоты (свип-сигнал с разверткой вниз) в диапазоне сейсмических частот. Помимо свип-сигналов с разверткой вверх и вниз известны и другие различные формы сигналов качающейся частоты, например так называемые случайные псевдослучайные и нелинейные свип-сигналы. При нелинейном свип-сигнале для компенсации ослабления высокой частоты при прохождении сигнала через породу или его преобразованию в желаемую волну малой амплитуды, на развертку высоких частот может затрачиваться большее время, чем на развертку низких частот. Вибрации регулируются управляющим сигналом, который может управлять частотой и фазой сейсмических сигналов.

Акустическое сейсмическое волновое поле распространяется во всех направлениях, заполняя звуком подземные породы. Излученная энергия волнового поля отражается и регистрируется сейсмоприемниками (датчиками), расположенными на указанных станциях и находящимися обычно на земной поверхности или рядом с ней, но которые могут находиться и под землей, например в скважинах (в данном описании также называемыми стволами скважин). Сейсмоприемники преобразуют механические движения породы, вызванные отраженным волновым полем, в электрические сигналы. Полученные электрические сигналы передаются по линии связи любого подходящего типа в контрольно-измерительную аппаратуру, обычно цифровую, где сигналы с сейсмическими данными архивируются и хранятся для последующей обработки.

Время пробега волны, проходящее с момента излучения волнового поля источником и приема возникшей последовательности отраженных волновых полей приемником, представляет собой меру глубины залегания соответствующих пластов, от которых отразилось волновое поле. Относительные амплитуды отраженных волновых полей могут быть функцией (аналогом) плотности и пористости соответствующих пластов, от которых волновые поля отразились, а также пластов, через которые волновые поля прошли. На угол сдвига фазы и состав частотный состав возвратившихся сигналов в отраженных волновых полях могут влиять пластовые флюиды, искомые полезные ископаемые и другие характеристики пород.

Обработанные сейсмические данные, относящиеся к одному приемнику, обычно представляют в виде одномерной диаграммы в шкале времени, отображающей амплитуды сигналов как функцию времени прохождения волнового пакета в обе стороны (полного времени пробега). Если совместить несколько сейсмограмм, полученных от нескольких преемников, размещенных друг за другом вдоль линии наблюдений с определенным интервалом, например через 25 метров, можно получить двухмерную (2D-) аналоговую модель геологического разреза. По сейсмическим профилям, полученным на нескольких пересекающихся линиях наблюдения, находящихся на исследуемой площади, создают трехмерное изображение сейсмических данных. Несколько трехмерных сейсмических исследований одного и того же района, проводимых через следующие друг за другом отрезки времени, например каждые шесть месяцев, представляют собой четырехмерные или четырехкомпонентные периодические наблюдения (мониторинг) за состоянием недр, весьма полезные, например, для контроля скорости истощения коллектора углеводородов.

С учетом изложенных соображений было бы разумным ожидать, что периодические сейсмические наблюдения, т.е. проводимые в течение длительного времени наблюдения за изменяющимися во времени характеристиками сейсмических данных, относящихся к определенному месторождению, например нефтяному или газовому коллектору, позволят отслеживать истощение запасов флюида или содержания полезного ископаемого, либо картировать переменные во времени показатели, например продвижение температурного фронта при нагнетании пара в пласт.

Для успешных периодических наблюдений необходимо, чтобы различия между наборами обработанных данных относились на счет физических изменений петрофизических характеристик залежи. Это довольно жесткое условие, поскольку вследствие изменений в регистрирующей аппаратуре и алгоритмах обработки, неизбежно происходящих за долгие годы, между отдельными наборами данных сейсмических наблюдений возникают различия, обусловленные контрольно-измерительной аппаратурой, но не динамическими изменениями состояния коллектора.

В частности, при использовании обычных методов наземных сейсмических исследований в реальных геологических условиях на результатах исследований могут сказываться долговременные изменения окружающей среды, связанные с климатом и техногенными факторами. Если томографический мониторинг или сейсмомониторинг предполагается использовать для количественных наблюдений за состоянием коллектора углеводородов, то влияние оборудования и окружающей среды, не связанное с изменениями характеристик коллектора, должно находить четкое отражение в наборах данных, полученных до и после предполагаемого изменения состояния коллектора. Успешное проведение томографического мониторинга требует тщательного планирования.

Один из способов избежать многих зависящих от времени изменений, связанных с окружающей средой, а также с совершенствованием аппаратуры, состоит в установке постоянных источников сейсмических сигналов и сейсмоприемников в одной или нескольких скважинах, расположенных в зоне, представляющей экономический интерес, и вокруг нее. Вместо обычных наземных полевых сейсмических исследований данные, получаемые на протяжении всего периода наблюдений методом межскважинной томографии в группе скважин, обрабатываются одинаковыми методами. Один из таких способов раскрыт в патенте US 5886255 (Aronstam) с датой подачи 14.10.1997, принадлежащем обладателю прав на настоящее изобретение и включенном в данное описание в качестве ссылки в части, касающейся метода межскважинной томографии в группе скважин.

Еще одним источником, в котором описаны скважины, содержащие постоянные системы для оценки состояния горных пород, является патент US 6456566 (Aronstam) с датой подачи 21.07.2000, принадлежащий обладателю прав на настоящее изобретение и в полном объеме включенный в данное описание в качестве ссылки. В патенте US 6456566 описано использование мелких объектов, перекрывающих ствол скважины, в качестве источников сейсмической энергии.

В патенте US 5406530 от 11.04.1995 (Токио Yamamoto) описан неразрушающий способ измерения физических характеристик осадочных отложений с получением поперечного распределения значений и отклонений пористости и проницаемости, а также модуля упругости и предела прочности на сдвиг. Устья двух скважин отстоят друг от друга на известном расстоянии, а в заранее определенных местах на расстоянии друг от друга установлена группа гидрофонов. В еще одну скважину в качестве источника сейсмической энергии помещают генератор псевдослучайного кода двоичной последовательности, при включении которого энергия псевдослучайных волн идет от источника к гидрофонам. На множестве путей распространения волн от источника к гидрофонам с использованием межскважинной томографии измеряют характеристики сейсмических волн.

Решение Yamamoto предназначено для инженерно-геофизических исследований главным образом в неглубоких скважинах. Такие скважины имеют в глубину менее 100 метров в противоположность нефтепромысловым скважинам, которые могут иметь глубину от двух до пяти километров. Выполнение требования по размещению активного источника на разных уровнях по стволу скважины проблематично, так как источник может повредить скважину и препятствовать ее эксплуатации. Поскольку сейсмическое оборудование приходится перемещать вверх и вниз по стволу скважины, сохранение в течение длительного времени одинаковых условий регистрации невозможно.

В патенте US 4993001 от 12.02.1991 (G.W.Winbow) описаны способ и устройство для преобразования трубных волн в скважинные объемные волны при проведении сейсмических исследований. Устройство содержит источник трубных волн с вращающимся клапаном, генерирующий трубные волны с разверткой частоты, которые вводятся в колонну труб или в скважинную жидкость. Трубные волны преобразуются в объемные волны продолговатым преобразователем трубных волн, расположенным в заданном месте ствола скважины. Преобразователь трубных волн содержит удлиненный корпус, который в предпочтительном варианте практически заполняет собой ствол скважины или колонну труб и имеет предпочтительную форму для эффективного преобразования трубных волн в объемные волны, находясь в выбранном положении внутри скважины. Этот патент относится главным образом к обратному вертикальному сейсмопрофилированию (ОВСП). Winbow признает известность того, что "неоднородности в стволе скважины" являются причиной изменений мод сейсмических волн (обмен волны), ведущих к возникновению вторичного сейсмического излучения и связанных с ним кратноотраженных волн.

Winbow использует единственный преобразователь трубных волн, который служит в качестве одиночного источника прямых и отраженных сейсмических волн, но чтобы добиться обширного охвата по вертикали, достигаемого в межскважинной томографии, его устройство приходится перемещать в разнесенные по стволу скважины положения. Поэтому такую систему трудно реализовать для неподвижной постоянной системы приборов, необходимой для четырехмерного сейсмомониторинга. Еще одним недостатком данной схемы является необходимость возбуждения трубных волн очень высокой энергии, что в свою очередь ведет к возникновению сильных фоновых шумов при вхождении трубных волн в ствол скважины и при их ударном воздействии на забой скважины.

Другое скважинное устройство, имеющее отношение к устройству, предложенному в патенте US 4993001, представляет собой скважинный широкополосный резонансный источник сейсмических волн, раскрытый Winbow и соавторами в патенте US 5268537. Это устройство используется для частичного или полного перекрытия ствола скважины с образованием заполненной флюидом скважинной полости. На флюид в полости воздействуют вибрацией, возбуждая стоячую волну давления, которая через скважину радиально распространяется во вмещающую породу. Это устройство наиболее эффективно функционирует при высоких частотах (т.е. свыше 1500 Гц). Известно, однако, что для обычных сейсмических исследований методом отраженных волн и построения томографических изображений предпочтительнее использовать более низкие частоты (менее 1000 Гц).

В патентах US 4671379 от 09.06.1987 (Kennedy и соавт.) и US 4834210 от 30.05.1989 (Kennedy и соавт.) предложена система с импульсным источником энергии, развернутым между двумя концевыми элементами. Пространство между этими двумя концевыми элементами заполнено скважинным флюидом, а импульсный источник энергии приводит флюид в состояние колебательного движения, происходящего в скважинном пространстве между двумя концевыми элементами. Для поддержания системы в состоянии резонанса расстояние между двумя концевыми элементами изменяют по мере изменения частоты импульсного источника энергии.

В патентах Kennedy энергию подают внутрь скважины с поверхности через колонну гибких труб, соединенную с вращающимся клапаном, расположенным на устройстве в скважине. Подаваемая энергия возбуждает находящийся в скважине столб флюида с образованием резонансной стоячей волны. Это достигается за счет того, что флюид заключают между двумя заполненными газом надувными камерами с образованием столба флюида, колебания в котором возбуждают при помощи сообщающегося с ним задающего устройства. Флюид вибрирует на частоте резонанса столба, ограниченного двумя надувными камерами. При функционировании этого решения желательно, чтобы вращающийся клапан проходил через определенный интервал резонансных частот для получения большего объема информации о подземных породах. Для обеспечения развертки по частоте при поддержании колебаний флюида в столбе на резонансной частоте высоту столба для различных величин частоты в развертке необходимо изменять. Устройство выполняет эту задачу путем физического перемещения надувных камер в процессе развертки. Чтобы поддерживать столб в состоянии полуволнового резонанса волны, надувные камеры в течение приблизительно 45-секундной развертки перемещают на общее расстояние порядка 100 футов. Устройство должно поддерживать резонанс для обеспечения эффективности работы.

Этот источник обладает высокой мощностью и не вызывает повреждений ствола скважины. В патенте утверждается, что устройство обеспечивает относительно высокую эффективность источника энергии при работе на резонансной частоте столба флюида. Однако при таком подходе возникает ряд проблем. Во-первых, это необходимость механических перемещений внутри скважины, так как источник должен работать на резонансной частоте столба, а резонансную частоту нельзя изменить, не меняя высоту столба. Устройство должно содержать весьма сложное скважинное оборудование для изменения высоты столба. Такая, как эта система, которой требуются скважинные движущиеся части, менее надежна, чем требуется. Проведение ремонта возможно только после подъема системы из ствола скважины, что приводит к дорогостоящим простоям в работе. Вторая проблема связана с длительностью свип-сигнала, излучаемого устройством. Высота столба изменяется по мере свипирования. Расстояние, на которое каждая камера должна переместиться во время свипирования, составляет примерно 50 футов (в случае, когда резонансная длина волны составляет половину длины стоячей продольной волны). Поэтому свипирование занимает продолжительное время, приблизительно 45 секунд. Эта система не может выдавать короткие свип-сигналы длительностью в несколько секунд. Также невозможно использовать в качестве вибратора импульсный источник.

В вышеупомянутых патентах Kennedy и соавт. описан также альтернативный вариант, при котором высота столба не изменяется. В этом варианте труба между концевыми элементами окружена надувными рукавами. Эти рукава можно надувать воздухом, что приводит к изменению кажущейся сжимаемости скважинного флюида. Изменение свойств флюида приводит к изменению резонансной частоты полости. Однако и в этом случае система может генерировать только относительно длительные свип-сигналы и содержит скважинные подвижные части, что приводит к снижению эксплуатационной надежности.

Существует потребность в системе источников сейсмических сигналов, постоянно установленных в скважинах, которую можно было бы использовать для наблюдения за изменением во времени характеристик пласта-коллектора, таких как распределение содержимого месторождения. Предпочтительно, чтобы такая система не мешала его добыче и не прерывала ее. Кроме того, существует потребность в такой системе, которая использовала бы не только специально генерируемую сейсмическую энергию, но также могла бы использовать присутствующие в скважине формы природной энергии, или энергии окружающей среды, например энергии потока флюида, которую можно преобразовывать в объемные сейсмические волны, излучаемые в горную породу, окружающую стволы скважин.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ возбуждения объемных сейсмических волн в коллекторе углеводородов, находящемся в толще горных пород. Сигналы, характеризующие искомый параметр коллекторов углеводородов, регистрируют группой сейсмоприемников. Объемные сейсмические волны распространяются по меньшей мере из одного расположенного в скважине объемного резонатора и проходят через горные породы. Регистрация сигналов, прошедших через породы и коллекторы углеводородов, осуществляется более одного раза с получением сигналов, характеризующих искомый параметр. На основе этих сигналов определяют изменение состояния коллектора углеводородов путем сравнения сигналов, характеризующих искомый параметр коллектора углеводородов, с сигналами, характеризующими параметр искомый параметр коллектора углеводородов и зарегистрированными позднее.

Краткое описание чертежей

Новые особенности изобретения, которые рассматриваются как существенные для его характеристики как в плане структуры системы, так и в плане способов его использования, а также задачи и преимущества изобретения поясняются ниже его подробным описанием, которое лишь иллюстрирует пример осуществления изобретения, не устанавливая границ его правовой охраны, и следующими чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - акустический объемный резонатор, работающий на энергии потока флюида,

на фиг.2А - источник с электромагнитным приводом для акустического резонатора,

на фиг.2Б - акустический резонатор, включающий объемный резонатор, показанный на фиг.2А, с полостью для резонансного излучения энергии в широкой полосе частот,

на фиг.3А - акустический резонатор, расположенный в стволе скважины снаружи насосно-компрессорной колонны,

на фиг.3Б - изолированный объемный резонатор, расположенный в стволе в стволе скважины, и его поперечное сечение,

на фиг.4 - объемный резонатор, форма которого обеспечивает резонанс в широкой полосе частот,

на фиг.5 - источник резонатора, работающий на энергии потока добываемого флюида,

на фиг.6А - объемный резонатор, образованный двумя пакерами,

на фиг.6Б - объемный резонатор, образованный двумя профилированными пакерами,

на фиг.6В - объемный резонатор, образованный комбинацией пакеров разного типа,

на фиг.6Г - объемный резонатор, образованный пакерами, находящимися снаружи обсадной колонны, и породой,

на фиг.6Д - объемный резонатор, образованный профилированными пакерами, находящимися снаружи обсадной колонны, и породой,

на фиг.7 - схема проекта ОВСП с использованием настоящего изобретения,

на фиг.8 - схема проекта межскважинных исследований с использованием настоящего изобретения,

на фиг.9 - схема проекта межскважинных исследований в группе скважин с использованием настоящего изобретения.

Хотя изобретение рассматривается на примере его предпочтительных вариантов, следует иметь в виду, что возможности использования изобретения ими не ограничиваются. Напротив, предполагается, что данное описание охватывает любые альтернативы, видоизменения и эквивалентные решения, соответствующие сущности изобретения и подпадающие под патентные притязания, изложенные в прилагаемой формуле изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретения

В настоящем изобретении предлагаются способ и система для создания и измерения сейсмического волнового поля при наблюдении за распределением содержимого залегающего под землей месторождения на протяжении периода его эксплуатации для долгосрочного управления ресурсами. В предлагаемой в изобретении системе используются волны давления (продольные волны), генерируемые в скважинных структурах. Скважинная структура - это полость, представляющая собой объемный резонатор и расположенная снаружи по меньшей мере одной находящейся в стволе скважины трубы. Объемный резонатор получает энергию давления от соответствующего устройства либо создает сейсмические волны за счет элементов конструкции объемного резонатора, взаимодействующих в потоком флюида в скважине. Возникающие в объемном резонаторе волны давления во вмещающих породах преобразуются в объемные сейсмические волны и расходятся в стороны от скважины. Эти объемные сейсмические волны, регистрируемые приемниками, могут быть подвергнуты обработке для характеристики представляющих интерес или искомых параметров горной породы.

Зависимые от времени изменения выбранных элементов сейсмических волн, которые прошли через месторождение между стволами скважин или между скважинами и сейсмоприемниками, могут указывать на временные изменения содержимого пласта-коллектора. Из приведенного ниже подробного описания специалисту должны быть ясны и другие варианты. В той части подробного описания, которая относится к конкретному варианту изобретения или к его конкретному применению, предполагается, что описание лишь иллюстрирует возможности осуществления изобретения, не ограничивая его объема.

Как известно, системы эксплуатации скважин состоят из труб. В конструкцию скважин обычно входит обсадная колонна, отделяющая скважинное и промысловое оборудование от пород по длине ствола скважины. Иногда обсадная колонна отсутствует, например, в забое некоторых скважин. Внутри обсадной колонны могут находиться другие трубы, которые иногда проходят ниже обсадной колонны и к которым относятся одна или несколько насосно-компрессорных колонн (колонн насосно-компрессорных труб). Другие трубчатые элементы могут использоваться для транспортировки флюидов, реагентов и обеспечивать связь между поверхностью и точками в скважине, а также подачу электропитания. Объемный резонатор, используемый в соответствии с настоящим изобретением, располагается снаружи по меньшей мере одной из находящихся в скважине труб или колонн.

Настоящее изобретение предусматривает использование источников сейсмических сигналов в стволе скважины с целью формирования изображения пород из скважины. Известные источники сейсмических сигналов предназначаются для временного использования в скважине и требуют вмешательства в процесс добычи и его прерывания. Предметом настоящего изобретения является постоянный, т.е. устанавливаемый на долгое время источник сейсмических сигналов, который располагается снаружи насосно-компрессорной колонны (в предпочтительном варианте) и потребляет немного энергии по сравнению с энергией, которую он излучает. Источник такого типа может использоваться при реализации расстановки для построения изображений целого месторождения.

Употребляемый в данном описании термин "рисунок волны" означает изменения амплитуды, частоты и фазы формы сейсмического сигнала (например, волнового импульса Рикера), выраженные во временной области в том виде, как они представлены на сейсмограмме в масштабе времени. Употребляемый в данном описании термин "кода" обозначает сейсмическую энергию объемной сейсмической волны, передаваемую вмещающей породе в определенной точке. Кода, соотнесенная с конкретной точкой нахождения источника сейсмической энергии, объемным резонатором либо мелким препятствием в стволе скважины, будет представлять собой сейсмический рисунок волны для данного местоположения источника сейсмической энергии. Термин "объемный резонатор" означает любую форму или структуру заполненной флюидом полости, из которой исходит сейсмическая энергия. Объемный резонатор может содержать более чем один флюид. Термины "мелкое препятствие в стволе скважине", "резкое изменение геометрии ствола скважины" или просто "резкое изменение геометрии" означают неровность ствола скважины любой формы или любого вида, выполненная таким образом, что энергия трубной волны, проходящей по стволу скважины, будет отчасти передаваться на эту неровность в стволе скважины и таким образом излучать энергию объемной волны в толщу окружающих скважину пород, продолжая также передавать и отражать часть энергии трубной волны вдоль ствола скважины. Термин "импульсная характеристика" означает отклик регистрирующей аппаратуры (сейсмоприемников и аппаратуры обработки сигналов) на шпилеобразную дельта-функцию или единичный импульс. Энергия сигнала акустического волнового поля, принимаемая сейсмоприемниками, зависит от текстуры слоев пород, через которые волновое поле прошло, от которых оно отразилось или с которыми оно взаимодействовало каким-либо иным образом: как по вертикали, так и по боковым направлениям. Термин "текстура" означает такие петрофизические параметры, как тип породы, ее состав, пористость, проницаемость, плотность, содержание флюида, тип флюида и межзерновое сцепление, что перечислено для примера, но не в порядке ограничения числа параметров.

Для пояснения способа настоящего изобретения использован не ограничивающий собой его объем пример межскважинной томографии с приемниками, расположенными как в скважинах, так и на поверхности земли. Следует четко представлять себе, что предлагаемый в изобретении способ применим к любой геометрии многоканальной регистрации данных и к любому режиму проведения исследований, независимо того, находятся ли сейсмодатчики под землей в скважинах, на поверхности земли или возле нее.

Изменения в коллекторе углеводородов в течение периода его эксплуатации можно определять по изменениям определенного представляющего интерес параметра, характеризуемым временными изменениями характеристик или параметров объемных сейсмических волн. Таким параметром может служить любой параметр, взятый в отдельности или в сочетании с другими, сейсмическими характеристиками принимаемых объемных сейсмических волн, которые прошли через коллектор. Сейсмические характеристики хорошо известны. Примерами сейсмических характеристик являются сейсмический импеданс (акустическая жесткость), амплитуда, затухание, частота, фаза, полярность, скорость, угол наклонения, азимут, огибающая линия и т.д.

Объемные волны, исходящие из каждого объемного резонатора, создают уникальный рисунок волны источника. Рисунки волны источника связаны с динамикой режима источника и с создаваемым резонансом. Эти рисунки волны источника могут измеряться как приемником, расположенным непосредственно возле объемного резонатора, так и приемниками, удаленными от объемного резонатора на некоторое расстояние. Кроме того, рисунок волны источника для объемных волн может быть воспроизведен по известным параметрам для каждой скважины в комплексе с трубными волнами, измеряемыми вдоль насосно-компрессорной колонны.

Рисунок волны (либо кода) источника, привязанный к конкретному объемному резонатору, представляет собой сейсмический рисунок волны для данной точки нахождения источника сейсмической энергии. Однако в соответствии с патентом US 6456566 (Aronstam) мелкие препятствия в стволе скважины также излучают из скважины объемные волны (как продольные, так и поперечные). Способ и система по патенту US 6456566 могут использоваться в сочетании с предлагаемыми в изобретении способом и системой с использованием объемного резонатора таким образом, чтобы регистрируемая сейсмоприемниками кода включала в себя доли сигнала, связанные с излучением от объемного резонатора, а также мелких препятствий в стволе скважины.

В предпочтительном варианте приемник располагается вблизи объемного резонатора для регистрации связанного с объемным резонатором рисунка волны источника. Однако имеются и другие способы определения и измерения рисунков волны, поэтому не требуется, чтобы приемники измеряли рисунок волны непосредственно для каждого сейсмического источника. Можно опустить датчик в кольцевое пространство и записывать контрольный сигнал напрямую. Например, для регистрации данных можно использовать легкий оптоволоконный датчик, практически не оказывающий воздействия на передаваемую сейсмическую энергию.

В качестве альтернативы для определения местоположения и рисунка волны сейсмических источников вдоль ствола скважины направленность сейсмического сигнала можно регулировать путем специфической расстановки сейсмоприемников (которые могут находиться как на поверхности земли, так и в любом другом положении). Регулирование направленности при приеме или излучении представляет собой способ выделения энергии, поступающей с определенного направления и из определенного местоположения посредством задержки последовательных каналов, так чтобы вступления определенной кинематической поправки за угол наклона отражающей границы (или кажущейся скорости) происходили одновременно и затем суммировались. Регулирование направленности предполагает сдвиг по времени результатов от отдельных источников на величины, пропорциональные расстояниям между источниками, и сложение результатов для придания направления потоку лучей. Направление лучей можно изменить, варьируя сдвиг по времени. Эту методику можно повторять для получения последовательности местоположений разных сейсмических источников.

Объемным резонаторам можно придавать сложные или произвольные формы для повышения вариабельности рисунка волны источника, а также в целях изменения эффективной ширины диапазона и частотных характеристик излученного сигнала. Объемным резонатором является кольцевое пространство в стволе скважины. В предпочтительных вариантах полость резонатора окружает скважинную трубчатую конструкцию. Настоящее изобретение предусматривает, что объемный резонатор может быть асимметричным и произвольным по форме. Объемный резонатор может быть выполнен такой формы, чтобы испускать в породу вокруг ствола скважины волны в широком диапазоне частот. Источником энергии для источника акустических волн объемного резонатора может быть поток природного флюида и/или изменения давления в насосно-компрессорной колонне.

Изображение пород можно получить с использованием вышеобсужденного способа, если, например, известен сигнал от рисунка волны источника. Хотя рисунок волны источника можно вывести, при некоторых условиях съемки неизвестным для диагностического параметра может быть t_o (время инициации источника). Для изображения сейсмического затухания знание t_o необходимым не является, так как для построения изображения достаточно знать убывание во времени огибающей линии частоты. Если желательно получить реконструкцию на базе шкалы времени, то определение точки отсчета начального момента может быть произведено с использованием взаимной корреляции давления или акустической энергии, измеренной на устье одной скважины, или даже на нескольких скважинах. Другая альтернатива, как объяснено выше, состоит в постоянном размещении одного или более приемников в скважине для определения момента начала отсчета t_o.

Каждый объемный резонатор может являться местоположением источника энергии излучения с уникальной формой колебаний волны для акустической энергии, испускаемой в прилегающую толщу пород. Размещаемый датчик регистрирует форму колебания волны по мере ее возникновения. Затем каждую коду подвергают деконволюции, используя, например, взаимную корреляцию с сейсмическим волновым полем, записанным вдалеке от ствола скважины, к примеру сейсмоприемниками в другом стволе скважины либо на земной поверхности или морском дне.

На фиг.1 схематически показано, каким образом объемный резонатор можно использовать совместно с находящейся в скважине насосно-компрессорной колонной 101. В качестве иллюстрации по скважине в произвольном направлении протекает поток 117 флюида. Для создания и развития резонансной энергии может быть использован объемный резонатор 103. Объемный резонатор 103 представляет собой полость, в которой могут формироваться стоячие волны. Частота этих стоячих волн зависит от объема полости, ее геометрической формы и размеров, а также размера любых отверстий в ней.

Существуют две переменные величины, которые определяют основную частоту любого объемного резонатора. Первой из них является физический размер. Как правило, чем меньше полость, тем выше ее резонансная частота. Вторым определяющим фактором является форма полости. Объемным резонатором может служить любая полностью замкнутая проводящая поверхность независимо от ее формы. В общем случае резонансную частоту полости можно изменить, меняя любой из трех следующих параметров: объем полости, емкостное сопротивление полости и ее индуктивность. Изменение частот полости известно как ее настройка или подстройка.

Элемент насосно-компрессорной колонны 101 может быть любого типа, а ствол скважины также любого типа может содержать элементы оборудования, препятствия (например, 104) и другие компоненты, которые способны преобразовывать энергию текущих флюидов в энергию давления. Например, систему газлифтной эксплуатации скважины или систему добычи газа можно доработать, выполнив в насосно-компрессорной колонне отверстия Р1 и Р2, которые через вращающийся клапан 109 выходят в объемный резонатор 103. На объемный резонатор через отверстие 105 может оказывать давление столб флюидов, например природных флюидов из подземного коллектора. Флюиды и их давление могут выходить из объемного резонатора 103 через выходное отверстие 107, которое может представлять собой уравнительное отверстие для поддержания среднего давления в объемном резонаторе с тем, чтобы это давление поддерживалось близко к величине давления вблизи Р1. Выходное отверстие 107 может соединяться с линией 111 подачи газа. Вращающийся клапан 109 может использоваться для регулирования или возбуждения колебаний определенной частоты, которые объемный резонатор будет принимать от потока флюида по насосно-компрессорной колонне.

В качестве альтернативы, как показано на фиг.2А для насосно-компрессорной колонны 201, объемный резонатор 203 может получать импульсы давления от другого приводного устройства - электромагнита 209. Хотя объемные резонаторы 103 на фиг.1 и 203 на фиг.2А изображены прямоугольными, известно, что изменение геометрической формы объемного резонатора обеспечит более гладкую по ширине или тупую, резонансную кривую в более широком диапазоне по сравнению с тем, что обычно дает прямоугольная форма. На фиг.2Б показана насосно-компрессорная колонна 201 той же конфигурации, что и на фиг.2А, где объемный резонатор 207 выполнен такой формы, чтобы излучать на резонансных частотах при более тупой резонансной кривой.

Резонанс в объемном резонаторе возбуждается при подаче импульсов давления с частотой, которая соответствует длине, ширине либо другим геометрическим характеристикам полости; полученный таким образом резонансный сигнал излучается из полости в горную породу, окружающую ствол скважины. Для преобразования энергии потока флюида в энергию давления в объемном резонаторе могут быть использованы различные устройства. Показанный на фиг.1 вращающийся клапан 109 преобразует энергию потока добываемого флюида в энергию давления для объемного резонатора. Электромагнит 209 на фиг.2 преобразует электрическую энергию, подаваемую с поверхности, в энергию давления и направляет эту энергию в резонатор. Скорость, с которой вращающийся клапан 109 или электромагнит 209 приводится в действие, зависит от частоты, которую объемный резонатор излучает в породу. Как возможный вариант в сочетании с вращающимся клапаном или электромагнитом можно применить насос либо использовать насос в отдельности для подачи энергии давления потока флюида в объемный резонатор. Объемный резонатор 103, 203 или 207 может иметь дополнительное отверстие РЗ, обеспечивающее возможность выравнивания давлений внутри полости резонатора. Энергия давления сейсмического источника внутри объемного резонатора может вырабатываться вокруг некоторой средней величины, а колебания давления могут прибавляться к некому постоянному или фоновому в полости или вычитаться из него.

Как показано на фиг.3А и 3Б, данная концепция распространяется на объемный резонатор 303, который является концентрическим, но располагается снаружи насосно-компрессорной колонны 301 в добывающей скважине. Ранее было показано (Winbow, патент US 5268537), что путем изменения формы объемного резонатора можно поддерживать широкую полосу частот без механического изменения полости. Тот же принцип применим и к объемному резонатору 303, показанному на фиг.3А и 3Б. Во избежание чрезмерных механических напряжений и излучения энергии обратно в насосно-компрессорную колонну в области объемного резонатора 303 в насосно-компрессорной колонне 301 может быть использована зона изоляции или толстостенная труба 305, как показано на фиг.3Б.

Наружная поверхность 307 объемного резонатора 303 имеет относительно тонкую стенку (по сравнению с толстостенной трубой или зоной 305 изоляции) для облегчения выхода сейсмической энергии в подземные толщи пород. Вид в поперечном разрезе объемного резонатора 303 между наружной стенкой 307 объемного резонатора и внутренней изолирующей стенкой трубы 305 показан на фиг.3Б. Такие объемные резонаторы могут быть источником энергии как продольных, так и поперечных волн. Для регулирования или создания энергии давления флюида в объемном резонаторе 303 может использоваться механизм 309 регулирования давления, который можно назвать средством возбуждения излучения и который может представлять собой клапан, электромагнит или насос.

Существует несколько вариантов формирования наружных концентрических полостей такого типа, а также их возбуждения. Например, на фиг.4 показан объемный резонатор 403, длина которого по наружному периметру 407 составляет f1, а по внутренней поверхности, примыкающей к трубе насосно-компрессорной колонны, f2. По обе стороны от средней части наружный периметр и объемный резонатор, как показано, сходят на конус, однако востребованной может оказаться и иная геометрия. Объемные резонаторы, практически подобные резонатору 403, могут проектироваться и использоваться таким образом, чтобы между относительно высокой частотой, определяемой длиной f1, и относительно низкой, которую определяет длина f2, располагались частоты наиболее сильного резонанса. Скорость движения вращающегося клапана, насоса или электромагнита может регулироваться таким образом, чтобы система работала в этих частотных интервалах для обеспечения максимальной энергии резонанса, исходящей из объемного резонатора. Другой пример показан на фиг.2Б, где объемный резонатор 207 выполнен такой формы, чтобы резонансная кривая была тупой.

Как показано на фиг.5, для возбуждения объемного резонатора можно использовать ряд отверстий и перегородок 505, обтекаемых потоком добываемого флюида, если энергии этого потока достаточно, чтобы взаимодействовать с перегородками. Регулируя поток флюида, движущегося через насосно-компрессорную колонну и/или объемный резонатор, можно генерировать определенный диапазон частот. В другом варианте может быть предусмотрена полная изоляция резонаторной системы от скважинных флюидов и возбуждение системы с использованием компонентов системы газлифтной добычи (как показано на фиг.1). Таким образом можно получить источник высокой частоты, что может быть целесообразным в ряде случаев.

Как показано на фиг.6А, наружную полость 603 можно создать, если в стволе скважины между расположенной внутри насосно-компрессорной колонной 301 и расположенной снаружи обсадной колонной 607 надлежащим образом установить пакеры 605, обычно используемые для изоляции продуктивных зон от кольцевого пространства. При этом пакеры 605 ограничивают полость и обеспечивают ее изоляцию от остального трубного оборудования в стволе скважины. Пакеры можно использовать для изменения либо усиления характеристик сигнала объемного резонатора 603, показанного на фиг.6Б. Для создания фигурных объемных резонаторов, в оболочках которых могут образовываться стоячие волны с длиной волны, равной резонансной длине волны или ее половине, могут использоваться специальные пакеры целенаправленно созданных или произвольных форм, именуемые в настоящем описании профилированными пакерами 606. Иные профилированные пакеры, ограничивающие объемный резонатор, могут найти применение для получения специфических целевых частотных полос либо для излучения из полости объемных сейсмических волн в широком диапазоне частот. На фиг.6В показана комбинация обычного пакера 605 с профилированным пакером 606, которая способна создавать в объемном резонаторе 603 стоячую полуволну.

Объемный резонатор можно создать между наружной трубой скважины и окружающей скважину породой, если кольцевое пространство (промежуток между обсадной колонной и породой) изолировано пакерами, расположенными по торцам полости. Как показано на фиг.6Г, насосно-компрессорная колонна 301 не обязательно должна быть частью объемного резонатора в том случае, когда объемный резонатор б 13 заключает пространство между обсадной колонной 607 и породой 617. Объемный резонатор 613 может находиться снаружи обсадной колонны 607 ствола скважины, причем пакеры 605 расположены снаружи обсадной колонны, а граница породы 617 представляет собой часть объемного резонатора. На фиг.6Д показан объемный резонатор, находящийся снаружи обсадной колонны, в котором использованы профилированные пакеры 606, изменяющие форму полости резонатора. Данные типы объемных резонаторов возбуждают, применяя активные либо пассивные средства (не показаны).

Настоящее изобретение может быть использовано в проекте типа ОВСП, что схематически изображено на фиг.7. Ствол скважины 761 содержит объемные резонаторы (или полости) 701, 703 и 705, из которых в окружающие скважину породы могут излучаться объемные волны. Как показано линиями, исходящими из объемного резонатора 703, энергия объемной волны может направляться непосредственно к земной поверхности 740, где приемники 711 эту энергию регистрируют. Энергия объемной волны, исходящей, например, из резонатора 703, может отражаться от находящихся в недрах геологических границ 750, или преломляться при переходе через них. Хотя показана лишь одна геологическая граница, следует иметь в виду, что недра содержат большое число геологических поверхностей, откликающихся на сейсмическую энергию. Энергия объемной волны может излучаться любым из резонаторов, 701, 703 или 705, вблизи которых могут находиться соответствующие приемники для непосредственной регистрации рисунка волны соответствующего источника, формы импульса или сейсмической энергии, принимаемой от источника, расположенного в любом другом месте. Методы разделения сигналов от таких различных источников известны.

Используя настоящее изобретение, можно осуществлять проекты межскважинного типа, как показано на фиг.8. В скважине 861, используемой для генерирования сейсмических сигналов, могут располагаться резонансные источники 801, 803, 805 и 807. Для осуществления межскважинного проекта требуется по меньшей мере одна скважина 863, содержащая приемники 811, 813, 815, 817, 819 и 820. Линии, исходящие из объемного резонатора 803, указывают несколько возможных путей прохождения волны. Энергия объемной волны может проходить непосредственно к приемникам 811, 813, 815 и 817, находящимся в другой скважине 863. Энергия объемной волны может отражаться от находящихся в недрах геологических границ 850 или преломляться при их пересечении, после чего она регистрируется приемниками 815, 817 и 819. Как известно, в проекте межскважинного типа приемниками будут зарегистрированы также объемные волны, прошедшие через исследуемые толщи пород по множеству других путей и содержащие собранную при этом полезную информацию.

Межскважинный проект может быть спроектирован с использованием группы скважин таким образом, чтобы для одновременной записи энергии объемной волны, исходящей из излучающей скважины 963, использовать много скважин (группу скважин), как показано на фиг.9. Излучающая скважина 963 содержит расположенные в определенных местах источники, например источники 906, 907, 908 и 909, которые могут быть объемными резонаторами. В приемных скважинах 961, 965 располагаются приемники соответственно 901-905 и 911-915. Как в примере, показанном на фиг.8, в приемных скважинах некоторые или все приемники могут быть объединены с объемными резонаторами, так как приемные скважины могут также использоваться как излучающие скважины. Для примера показано, что пути пробега объемной волны начинаются в точке нахождения источника 907. Пути пробега могут пролегать непосредственно, как показано на чертеже, между излучающей скважиной 963 и приемной скважиной 961. Пути пробега могут также представлять собой комбинации энергии, отраженной от геологической границы 950, с прямыми путями пробега, которые показаны на примере энергии, исходящей из излучающей скважины 963 и приемной скважиной 965.

После того, как приемники или датчики акустических колебаний зарегистрировали сигналы, к данным могут быть применены способы обработки сигналов, широко известные на современном уровне техники. В этих способах могут использоваться процессоры, такие как компьютеры, и алгоритмы, известные на современном уровне техники и применимые, например, к межскважинным способам.

Как показывают вышеприведенные примеры, настоящий способ можно использовать для оценки залежей углеводородов и иных полезных ископаемых в любой момент времени и в течение нескольких периодов времени и он может быть применен в качестве постоянной части управления и мониторинга разрабатываемого коллектора. Меняющиеся со временем изменения в избранных характеристиках акустических волн, проходящих через толщу пород между стволами скважин, указывают на временные изменения в содержании полезного ископаемого. Настоящее изобретение позволяет непрерывно или периодически оценивать выход и управлять ресурсами в течение срока эксплуатации месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых. Миграция углеводородов во время их естественного выхода, а также миграция углеводородов во время таких операций, как добыча вторичными методами, вытеснение нефти паром, а также обводнение нефтяных коллекторов и газовых залежей - все это является примерами внутрипластовых процессов, мониторинг которых может на протяжении длительного времени осуществляться посредством настоящего изобретения. Методы анализа включают в себя томографическую реконструкцию и картирование положения границы флюида внутри породы.

Специалистам понятно, что система и способы генерирования и измерения сейсмической энергии, а также мониторинг месторождений полезных ископаемых в недрах, описанные выше на примерах, не ограничиваются конкретными показанными вариантами. В приведенном выше описании конкретные варианты осуществления изобретения рассмотрены для иллюстрации и пояснения сущности изобретения. Вместе с тем, для специалиста должны быть очевидны возможности внесения в рассмотренный выше вариант различных изменений, не выходя при этом за рамки сущности изобретения и патентных притязаний.