[发明专利]使用电容式传感器进行多分量井眼电场测量的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于评价储油层和储气层的特性的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于低频电磁场的三轴场传感器。

背景技术

能源行业的各个环节需要遥感技术来完成例如评估石油储量枯竭、优化石油开采以及监测在地下注入和储存的水、气体和二氧化碳等任务。

众所周知，以可靠方式测量井眼环境下的电场分量的能力对实现基于电磁场的表征和储层流体的监测技术具有重大价值。同样为公众所熟知的是：这种传感器的持久安装能够实现油田开采的最优化。现有的电场传感器对例如井眼流体的化学成分、井眼温度和压力条件、流体类型等非常敏感并且需要小心的维护，因此不可靠。如果不解决这些问题，那么供储层应用的有效电磁仪器的发展会局限于由大多数油田服务公司基于电磁感应而商业化的丝线器件（磁性线圈）。然而，这些基于电磁感应测量的磁性接收器对于以三维、低频方式测量电场响应不是最优的。

在离井眼几百米远的位置查看井眼周围的流体饱和度的现行做法依赖于使用磁通计（即磁性线圈）作为传感器的电磁技术。这些器件被设计成检测和测量由在频域或时域内工作的电磁源产生的感应磁场。这种技术通常测量磁场的一个分量或三个分量。

因此，目前的技术状况无法提供在井眼环境下以低频方式进行的三分量电场测量。例如，美国专利6,373,253公开了使用环形天线在1MHz～100MHz频率范围内测量井眼中的电磁分量。这种方法通过使用截然不同于电容方法的感应方法得到电场分量，并且这种方法具有非常高的频率范围。在经过感应以不接触的方式进行测量的情况下（例如在美国专利6,489,772中公开的方法），传感器尺寸受到限制从而传感器的使用局限于单一（竖直）分量磁场测量。

电容式电场传感器的优点在于传感器不需要直接地接触地层，并且即使在井眼环境下传感器也能够足够紧凑来测量电场的全部三个分量。如同美国专利6,809,521所公开的那样，在将电流注入到地层中之后在井眼环境下进行电容式测量以测得井眼的电阻率，但是这些属于测井工具构造并且限于井眼附近的小区域。这种技术所使用的频率也比较高，在1kHz～10kHz的范围内。

由于难以在井眼中为电场传感器提供低接触电阻和稳定的条件，所以本行业目前不具备井眼电场传感器技术。现有的电场传感器对例如井眼条件和流体类型等环境条件也非常敏感并且需要小心的维护，因此不可靠。另外，井眼的电容式电极设计用于例如大于1kHz的高频范围，并且用作查看井眼附近的小区域的测井工具。对于这些类型的器件来讲，电磁源与接收器在一起，或者电磁源至多与接收器相距短距离。对电磁场的全部三个分量的测量包括沿着三个正交方向测量电场和磁场，这会使对因注入水代替油而引起感应电磁场的极小变化的检测受益。

如果不解决这些问题，那么供储层应用的有效遥感电磁仪器的发展会局限于由大多数油田服务公司基于电磁感应而商业化的丝线器件（电磁线圈）。

发明内容

本申请的发明内容涉及在储层中进行电磁测量以便表征和对例如油、水、气等进行流体监测的领域。目前，利用持久地布置在储层层面的电磁感测技术来监测储层的综合方法还有待于开发。引入可靠、低频的电场传感器能够将电磁应用扩展到三个维度并扩展到井眼附近的区域。通过使用与现有的小型化磁场传感器结合的电容式电极技术解决了在井眼中实现三轴电场测量和用于低频的问题。

迄今为止，技术的限制已经阻碍了能够持久地布置在竖直井、倾斜井和水平井的储层中的可靠电场传感器的发展。这些限制中的一些与在井眼条件下不能测量电场的多个分量有关。器件的尺寸和提供与岩层的有效低接触电阻的需要阻碍了可靠井眼电场测量器件的发展。

储层流体具有可变的导电性并且对由电磁源提供的电磁激励表现出不同的响应，该电磁源可以位于离接收器几十、几百或几千米远的位置。作为电阻流体的盐水、导电流体和气体或油之间的电学性能存在很大的反差。实际上，基于典型储层参数的岩石物理计算表明因盐水饱和度的变化而造成的电阻率的变化可以达到一个数量级或更大。电场分量对导电率分布的变化最为敏感并且是表征流体类型和监测流体随时间演变所需的地球物理信息的首要来源。多分量电场传感器放置在储层中或储层上方或储层下方或者在将这些位置组合的一些位置中，这样除在注水过程中监测波及系数（驱扫效率）之外还可以监控和管理石油生产。