СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКВАЖИННЫХ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ УГЛЕВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ ФОРМАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК E21B47/06 E21B36/04 E21B43/24 

Изобретение относится к способам и системам для определения тепловых параметров подземных структур на основе скважинных динамических тепловых измерений. В частности, настоящее изобретение относится к локальному использованию охлаждающих и/или нагревающих устройств для распределения локальной скважинной температуры в формациях, таких как нефтегазоносные структуры, водонасыщенные формации, газогидратоносные горные и осадочные породы, и измерению их тепловых характеристик для целей описания формации.

Некоторые природные ресурсы, такие как гидраты газов, диссоциируют, образовываются или испытывают другие воздействия, когда условия температуры и/или давления пересекают границу равновесия. Понимание параметров подобного поведения является важным для разведки и разработки ресурсов, например гидратов газов и тяжелых сортов нефти как энергетических ресурсов. Таким образом, тепловые измерения являются одними из ключевых компонентов в описании подземных структур не только статически, но и динамически.

Общепринятые способы для оценки тепловых параметров, таких как тепловая проводимость, емкость и диффузность, подземных формаций включают пассивный контроль температур в нескольких подземных глубинных точках и интерпретацию собранных данных с допущениями, такими как установившийся тепловой поток или ослабление от тепловых возмущений при бурении и/или циркуляции бурового раствора и так далее. В общепринятых системах измеряются изменения температуры, вызванные испытанием скважины или операциями бурения/циркуляции. Из-за того что тепловые параметры оцениваются на основании некоторых допущений, способы пассивного измерения, описанные выше, оставляют большие неопределенности в оцененных тепловых параметрах подземных структур.

С другой стороны, активные измерения тепловых параметров могут быть предприняты в лаборатории и на оборудовании, имеющемся на рынке для этих целей. Однако применение лабораторных способов активного измерения для локальных измерений подземной формации имеет много технических и материально-технических трудностей.

В связи с вышеизложенным и другими факторами, известными в области теплового описания подземных формаций, заявители открыли способы и системы для активного измерения подземных тепловых параметров, основанных на том принципе, что время теплового отклика подземных структур будет отличаться в зонах, имеющих разные тепловые параметры. Таким образом, настоящее изобретение предполагает использование активного нагревания и/или охлаждения, т.е. известного температурного возмущения или возбуждения, вызванного отправкой известного сигнала в подземные формации, в отличие от пассивного контроля для характеристики подземных формаций.

Заявители открыли, что раскрытый здесь способ динамического измерения будет иметь конкретное применение в локальных активных измерениях подземных структур, таких как формации, несущие гидраты газов и/или тяжелую нефть.

Заявители дополнительно открыли, что характеристика на месте тепловых параметров является одним из ключевых компонентов для характеристики подземных формаций.

Заявители также открыли, что определение тепловых параметров скважинных структур, таких как углеводородсодержащие формации и осадочные породы, будут очень полезными при создании эффективных систем и способов для обработки подземных структур для разработки и добычи естественных запасов.

Настоящее изобретение предполагает динамические измерения изменения температуры во времени, т.е. тепловой отклик не является неизменным во времени, для получения статических тепловых параметров для анализируемой формации, например горных пород, осадочных пород и других подземных формаций с отложениями, такими как нефть, газ, гидраты метана, вода, наряду с другими измерениями, предполагаемыми настоящим изобретением. Таким образом, характеристика формации может содержать обеспечение одного или нескольких откликов, основанных на одном или нескольких тепловых параметрах формации, например ответные реакции, относящиеся к одной или нескольким характеристикам углеводородов в формации для тепловой обработки углеводородов, одному или нескольким физическим параметрам формации для оконтуривания формации, постоянному контролю пересечения формации эксплуатационной скважиной и другие, которые могут быть реализованы на основе идей настоящего изобретения.

Заявители открыли, что алгоритмическая зависимость может быть выгодно использована для определения тепловых параметров, таких как тепловая проводимость, на основании конфигурации нагревателя и/или охладителя и одного или более датчиков, расположенных локально или распределенным образом, для получения изменений локальных температурных данных во времени для изучаемых подземных формаций.

Согласно изобретению создан способ определения одного или нескольких тепловых параметров углеводородосодержащей формации для описания формации, содержащий следующие этапы:

создание теплового возмущения в скважине в заранее определенной интересующей области посредством нагревающего устройства, содержащего нагреватель, окружающий температурный датчик;

получение данных теплового отклика на основе времени изменения температуры интересующей области, включающее измерение температуры интересующей области на протяжении заранее определенного периода времени;

определение теплового свойства формации на основе данных теплового отклика формации.

Этап создания теплового возмущения в скважине может включать активное нагревание интересующей области или активное распределение нагревания интересующей области.

Этап получения данных теплового отклика может включать получение данных путем расположения одного или нескольких температурных датчиков в скважине, получение данных путем распределенной по скважине регистрации изменения температуры, получение данных путем локализованной регистрации изменения температуры.

Этап получения данных теплового отклика может включать регистрацию изменения температуры в интересующей области скважины, и получение данных теплового отклика может включать изменение данных локальной температуры во времени.

Этап определения тепловых параметров может включать предоставление изменения локальной температуры во времени процессору для определения тепловой проводимости формации или определение одной или нескольких из тепловой проводимости, тепловой диффузности и тепловой емкости формации.

Способ может дополнительно содержать этап характеристики формации посредством одного или нескольких ответных результатов, основанных на тепловых параметрах формации, относящихся к одной или нескольким характеристикам углеводородов в формации для тепловой обработки углеводородов, одному или нескольким физическим параметрам формации для оконтуривания формации, и этап постоянного контроля рабочей скважины, пересекающей формацию.

Способ может дополнительно содержать этап использования способа нагретой проволоки для определения теплового свойства формации на основе данных теплового отклика формации. Тепловым параметром может быть тепловая проводимость формации.

Согласно изобретению создана система для определения одного или нескольких тепловых параметров углеводородосодержащей формации для характеристики формации, содержащая, по меньшей мере, одно нагревающее устройство и охлаждающее устройство, предназначенные для создания теплового возмущения в скважине в заранее определенной интересующей области, и регистрирующую систему, предназначенную для получения данных теплового отклика в скважине и определения, по меньшей мере, одного теплового свойства формации на основе изменения во времени температуры интересующей области и содержащую, по меньшей мере, один температурный датчик, расположенный в скважине, и процессор, предназначенный для определения температуры интересующей области на протяжении заранее определенного периода времени, при этом, по меньшей мере, одно нагревающее или охлаждающее устройство содержит нагреватель или охладитель, окружающий, по меньшей мере, один температурный датчик для создания теплового возмущения вдоль скважины, проходящей через формацию.

Тепловым параметром формации может быть одна или несколько из тепловой проводимости, тепловой диффузности и тепловой емкости формации.

По меньшей мере, одно нагревающее устройство и охлаждающее устройство может содержать, по меньшей мере, один нагреватель, предназначенный для активного распределенного нагревания заранее определенной интересующей области, или один нагреватель, предназначенный для активного локального нагревания заранее определенной интересующей области.

Температурный датчик может быть приспособлен для распределенной регистрации изменения температуры в скважине или для локализованной регистрации изменения температуры в скважине.

Нагревающее устройство, охлаждающее устройство и регистрирующая система могут содержать одну или несколько из распределенной системы регистрации температуры, резистивного нагревателя, датчика на волоконных решетках Брэгга и резисторного температурного детектора.

Резистивный нагреватель может содержать трубу с изменяющимся сопротивлением, предназначенную для скважинного локализованного нагревания формации, или одну или несколько из пластиковой трубы и электрически изолированной металлической трубы.

Нагревающее устройство может содержать внешнюю трубу распределенной системы регистрации температуры.

Датчик может быть предназначен для регистрации изменения температуры в скважине в заранее определенной интересующей области, и данные теплового отклика могут содержать изменение данных локальной температуры во времени.

Процессор может быть приспособлен для определения тепловой проводимости формации на основе изменения данных локальной температуры во времени или для определения тепловой проводимости, по меньшей мере, формации, содержащей гидрат метана, или формации, содержащей тяжелую нефть.

Далее изобретение более подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематический вид одного варианта системы согласно настоящему изобретению и графики ожидаемого изменения температур, т.е. тепловой отклик слоев, имеющих различные тепловые параметры;

фиг.2А и 2В изображают схематические вид сверху и вид поперечного сечения соответственно конфигурации кабель-датчик-нагреватель, используемой в системе в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 изображает схематический вид модели для конфигурации, показанной на фиг.2А и 2В, в которой слой 1 представляет кабель-датчик с пластиковой оболочкой, сконфигурированный как нагреватель, слой 2 представляет песок, слой 3 представляет воздух, и L представляет длину кабеля;

фиг.4 представляет график вычисленного теплового сопротивления относительно радиального расстояния для модели, показанной на фиг.3;

фиг.5 изображает график увеличения температуры в песке во время нагревания;

фиг.6 - график предварительных результатов оценки наблюдаемой тепловой проводимости относительно времени, на котором прерывистая серая линия характеризует наблюдаемую тепловую проводимость в песке;

фиг.7 является компьютерной моделью передачи тепла для поперечного сечения скважины, при этом кабель-датчик расположен за пределами обсадной колонны, которая является опорной трубой;

фиг.8 является графиком, представляющим влияние тепловой проводимости (λ,f) формации на температуру для скважины диаметром 30 см;

фиг.9 является графиком, представляющим влияние тепловой проводимости (λ,f) формации на температуру для скважины диаметром 10 см;

фиг.10 является графиком, представляющим влияние тепловой проводимости (λ,f) формации на температуру для скважины с металлической обсадной колонной;

фиг.11 является графиком, показывающим влияние тепловой проводимости (λ,f) формации на температуру для скважины с пластиковой обсадной колонной;

фиг.12А, 12В, 12С и 12D являются схематическими видами вариантов систем для извлечения тепловых параметров подземных структур в соответствии с настоящим изобретением.

На всех чертежах идентичные ссылочные номера обозначают подобные, но необязательно идентичные элементы. В то время как изобретение может допускать различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты осуществления показаны в виде примеров на чертежах и будут описаны здесь в подробностях. Однако должно быть понятно, что изобретение не предназначено быть ограниченным конкретными раскрытыми формами. Скорее, изобретение покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в объем изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Иллюстративные варианты осуществления и аспекты изобретения описываются ниже. Для ясности не все признаки действительной реализации описаны в спецификации. Конечно же, должно быть принято во внимание, что при разработке любых вариантов осуществления определенное количество специфических для реализации решений должно быть сделано для достижения специфических целей разработчиков, таких как соответствие зависящим от системы и бизнеса ограничениям, которые могут различаться от одной реализации к другой. Более того, должно быть принято во внимание, что объем работ такой разработки может быть сложным и требующим времени, но все-таки станет повседневным предприятием для обычных специалистов в данной области техники, имеющих выгоды от здесь раскрытого.

Стабильность текучих сред формации, включающих углеводороды, такие как гидраты газов и тяжелую нефть, чувствительна к изменениям давления Р и температуры Т. При этом гидраты газов диссоциируют или формируются, когда условия давления и/или температуры пересекают границу равновесия. Как обсуждалось выше, общеизвестные способы получения тепловых параметров подземных формаций, таких как тепловая проводимость, диффузность, емкость, включают в себя лабораторный анализ керна и пассивные измерения температуры в нескольких подземных точках. Для анализа керна гидратосодержащих зон, например, часто является трудным выдержать те же условия в лаборатории, что и условия в скважине. Получаемые данные зависят от условий отбора керна, возникающих из-за динамического процесса диссоциации/формирования гидратов, различий коэффициента сжатия под разными давлениями и иногда из-за потери образцов керна с определенных интервалов глубин. Для пассивных измерений в нескольких подземных точках получаемые данные интерпретируются с определенными допущениями, которые повышают неопределенности, такие как установившийся тепловой поток и ослабление теплового возмущения из-за бурения и/или циркуляции бурового раствора. Более того, подробные тепловые измерения в гидратосодержащих зонах не проводятся.

Настоящее изобретение предполагает использование способов измерения тепловых параметров для локального определения тепловых параметров формации путем активного создания известных тепловых возмущений с помощью источника тепла, такого как охлаждающее и/или нагревающее устройство, и контроль теплового отклика, т.е. данных об изменении температуры во времени целевой зоны скважины. При этом настоящее изобретение предполагает измерение температуры области или областей формации, в которых вызвано тепловое возмущение, для заранее заданного периода времени, такого, что может быть определен тепловой отклик от формации. Заранее определенный период времени для измерений температуры зависит от окружающих условий, таких как свойства формации, скважинные текучие среды, конфигурации используемых систем и других факторов, которые определяют желаемый или необходимый период времени для измерений температуры. Более того, заранее определенный период времени для измерений температур может включать в себя период времени активного нагревания или охлаждения формации и подходящий период времени после активного нагревания или охлаждения, так что необходимые данные теплового отклика формации получаются для целей настоящего изобретения.

Тепловое возмущение может быть локальным нагреванием или охлаждением, т.е. в локализованной интересующей области для поддержания теплового возмущения в области или областях исследуемой формации. Настоящее изобретение предполагает активное нагревание или охлаждение формации для обеспечения в ней динамического теплового возмущения на заранее определенный период времени и определения теплового отклика формации. Заранее определенный период или периоды времени для активного нагревания или охлаждения интересующей области/областей зависят от окружающих условий, таких как свойства формации, скважинных текучих сред, конфигураций систем и других факторов, которые определяют достаточный период времени для нагревания или охлаждения.

Несмотря на то, что здесь описано, один вариант осуществления настоящей методологии измерения основан на способе нагретой проволоки для измерения тепловых параметров и других способах, находящихся в объеме настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение дополнительно предполагает системы и способы измерения одного или нескольких тепловых параметров углеводородосодержащих формаций, которые не используют допущения симметричности и/или бесконечной длины нагретой проволоки.

По уменьшению температуры с помощью бесконечного подогревателя и температурного датчика в нагревателе в бесконечной среде определяют тепловые параметры для окружающей среды. Отношение тепловой проводимости и температуры показано в уравнении 1. Например, из угла наклона натурального логарифма времени (ln(t)) и увеличения температуры (Т-Т₀) выводится тепловая проводимость X.

где

q - прилагаемая мощность на единицу длины;

γ - постоянная Эйлера;

r - расстояние;

α - коэффициент тепловой диффузности.

Вышеописанная методология применима в локальных скважинных условиях измерения. Как изображено на фиг.1, динамическая система 10 в соответствии с настоящим изобретением включает длинный и тонкий нагреватель 12, такой как металлическая, и/или пластиковая, или подобная труба 20, и комплект температурных датчиков 14, например оптоволоконные датчики, расположенные в скважине 18 подземной формации 16. Труба 20, такая как металлическая и/или пластиковая труба, может быть размещена вокруг датчиков 14 для защиты датчиков и для других целей, таких как распределенное нагревание, как обсуждается более подробно ниже. Ожидаемая разница в процессах уменьшения температуры, т.е. тепловой отклик, во время нагревания и охлаждения, где тепловые параметры формации различны, показаны графически на фиг.1. Здесь измерения тепловой проводимости используются для целей описания настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение также предполагает измерения других тепловых параметров, таких как тепловая диффузность и тепловая емкость.

Обычно скважинные текучие среды непосредственно окружают материал нагревателя 20 и датчики 14 в скважине. Однако настоящее изобретение предполагает минимизацию эффектов от конвекции текучей среды в качестве приближения первого порядка.

В варианте осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением оптоволоконный кабель-датчик может быть использован как распределенная система регистрации температуры (РСРТ) для конфигурации, изображенной на фиг.1. Эти системы известны из нефтепромысловой практики и не будут описываться здесь в подробностях. Такие системы обеспечивают последовательные измерения температуры вдоль скважины (см. фиг.1). Является выгодным, что волоконный кабель-датчик может быть сконфигурирован для обеспечения температурной информации, и металлическая, и/или пластиковая, или подобная труба кабеля может быть сконфигурирована как нагреватель путем подачи на трубу электрического тока.

Заявители провели эксперименты для определения способов для динамического измерения и систем настоящего измерения. Фиг.2А и 2В показывают вид сверху и поперечное сечение соответственно расположения кабель-датчика, который был использован при моделировании настоящего изобретения. Контейнер 22 цилиндрической формы был заполнен песком 24 с кабель-датчиком 12, расположенным в контейнере 22 по центру и засыпанным песком 24. Была экспериментально получена тепловая проводимость песка. Кабель-датчик 12 включал волоконный датчик 14 и стальную трубу 20 с пластиковой оболочкой на внешней поверхности трубы. Прилагаемая мощность для нагревания трубы 20 была приложена к обоим концам трубы 20, как изображено на фиг.2А.

Тепловая проводимость песка была измерена заранее с помощью имеющегося на рынке оборудования и составила 0,22 ватт/метр/Кельвин [Вт/м/К].

Фиг.3 показывает однородные в радиальном направлении слои кабеля с пластиковой оболочкой - слой 1, песка - слой 2, и воздуха - слой 3. Фиг.4 показывает рассчитанное тепловое сопротивление, выраженное уравнением 2, приведенным ниже, в зависимости от радиального расстояния. Было принято, что тепловое сопротивление и угол наклона в уравнении 1 (~1/λ) имели качественно похожую тенденцию в течение процесса передачи тепла по времени и радиальному расстоянию.

Фиг.5 показывает данные измеренной температуры во время нагревания при 4,7 ватт/метр [Вт/м]. Можно видеть линейную кривую, указанную прерывистой черной линией. Этот результат относительно времени показывает отклик, очень похожий на смоделированную кривую теплового сопротивления относительно радиального расстояния на фиг.4. Данные были сглажены, т.е. полиноминально аппроксимированы методом следящих окон, во времени, затем была вычислена производная от dT/d(ln(t)) (угол наклона 1/4/π/λ в уравнении 1). Наблюдаемая тепловая проводимость λ была найдена и отображена на фиг.6. Из значения почти плоской части, как показано прерывистой серой линией на фиг.6, тепловая проводимость была определена как 0,22 Вт/м/К. Смоделированный результат показывает хорошее соответствие с предварительно определенной тепловой проводимостью в песке в 0,22 Вт/м/К.

Соответственно через экспериментальное распределение и моделирование заявители получили тепловую проводимость в песке как предварительный результат, используя способы и системы настоящего изобретения.

Заявители дополнительно определили через числовое моделирование применимость способа настоящего изобретения для локальных условий в скважине. Практическая ситуация была имитирована с помощью кабель-датчика, опущенного в трубу/обсадную колонну в скважине (фиг.7). Пластиковая оболочка покрывает кабель-датчик. Длительность измерений для необходимого повышения температуры, т.е. повышение температуры, требуемое для определения тепловых параметров формации, определяется с помощью практической прилагаемой мощности. Как обсуждалось выше, заранее определенный период времени для активного нагревания зависит от нескольких факторов.

Таблица показывает параметры, использованные в численном моделировании. Фиг.7 показывает компьютерную имитацию теплового поля для поперечного сечения скважины с нагревателем через некоторое время после нагревания. Фиг.8 и 9 графически показывают увеличение температуры ΔТ на нагревателе относительно времени нагревания для диаметров скважины 30 см и 10 см соответственно. Линии на фиг.8 и 9 обозначают тепловую проводимость формации (λf) в 3 Вт/м/К, и синие линии обозначают проводимость в 2 Вт/м/К. Красные линии показывают относительное увеличение {ΔT(λf=3)-ΔТ(λf=2)}/ΔТ(λf=3). Из результата видно, что меньший размер скважины может быть предпочтительным для дифференциации температурного поведения между различными тепловыми свойствами, так как потребление тепловой энергии зависит от объема флюида. Однако даже со скважиной с диаметром в 10 см требуется больше 2 дней для достижения 10% относительного увеличения температуры. Для уменьшения необходимой продолжительности измерения фиг.10 и 11 показывают моделирование, сфокусированное на влиянии материала для трубы, фиг.10 - для трубы, сделанной из металла, и фиг.11 - для пластиковой трубы. В обоих случаях диаметр скважины составляет 18 см. 10% относительное увеличение температуры достигается за несколько часов с пластиковой трубой, при этом металлическая труба требует 20 часов. Пластиковая труба работает как тепловой изолятор в скважине для эффективной передачи тепла в формацию. С использованием пластиковой трубы технологии настоящего изобретения являются усовершенствованными для целей измерения температурных изменений и, следовательно, тепловой проводимости в скважинных средах.

Числовое моделирование подтверждает пригодность настоящей методологии для скважинных применений с некоторыми предполагаемыми условиями.

Параметры для числового моделирования   Тепловая проводимость Плотность [кг/м³] Конкретная теплота [Дж/кг·К] Формация 3 или 2 3000 или 2000 1000 Текучая среда 0,6 1000 4200 Нагреватель/датчик 50 7800 500 Труба 50 7800 500 Пластик 0,16 1300 1500 Воздух 0,024 1,25 1000 Мощность нагревателя 30 Вт/м

Результаты экспериментов и моделирования, проведенных заявителями, подтверждают применимость локальных скважинных измерений тепловой проводимости в соответствии с настоящим изобретением. При определении факторов, таких как влияние текучих сред и подходящие конструкции кабеля и нагревателя, предварительные эксперименты показали применимость настоящего изобретения для измерений тепловых параметров в окружающей среде в допустимом диапазоне ошибки в 10%.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения нагревательное устройство может включать нагреватель, который использует электрически изолированную металлическую трубу, окружающую, например, оптоволоконный датчик, для генерации тепла в подземных структурах путем подачи электрического тока в металлическую трубу. При этом металлическая труба может быть защищена подходящим электроизоляционным материалом, таким как пластик или стекло. Например, в ситуациях, где локальное нагревание целевых глубин в подземных формациях является предпочтительным или желательным, электрический ток может быть подан на электрически изолированную металлическую трубу, имеющую более высокое сопротивление на целевых глубинах (фиг.12А). При этом может быть использована труба, имеющая подходящее сопротивление, требуемое для локализованного нагревания. Разное сопротивление в трубе может быть достигнуто путем использования для трубы разных материалов. В качестве альтернативы разная плотность нагревателя, например разное количество витков вокруг волоконного кабеля, может быть использована в комбинации с или независимо от нагревательной трубы, имеющей изменяющееся сопротивление.

Фиг.12А-12D являются схематическими изображениями некоторых вариантов осуществления для динамических измерений тепловых параметров подземных формаций в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.12А изображает систему 10, имеющую распределенную систему 12 регистрации температуры с оптоволоконным датчиком 14 и металлической трубой 20, размещенной в подземной формации 16, имеющей, например, скважинную текучую среду в скважине 18. Поскольку оптоволоконный датчик 14 находится в тонкой металлической трубе 20, то металлическая труба 20 может быть использована как генерирующее тепло или охлаждающее устройство путем подачи на нее импульсного или переменного/постоянного тока с поверхности через металлическую трубу 20. Подходящая электроника и производственные и управляющие возможности могут быть обеспечены, как это схематически изображено на фиг.12А-12D. При этом конфигурация на фиг.12А обеспечивает распределенные изменения температуры вдоль заранее определенной секции скважины 18 и структуры 16 формации.

Конфигурация на фиг.12А имеет различные преимущества, такие как использование существующего нефтепромыслового оборудования, которое может быть установлено на буровой площадке без необходимости в дополнительном оборудовании. Изображенная конфигурация обеспечивает однородную и распределенную генерацию тепла и распределенный выход температуры в заранее определенную область или области для целей определения в них тепловых параметров формации. Однако в некоторых ситуациях, основываясь на конкретных потребностях, вариант осуществления на фиг.12А может вызвать утечку тепла или привести к излишнему нагреванию нецелевых зон в подземной формации. Более того, полученные данные могут быть усредненным откликом для слоистой зоны из-за ограничений в глубинном разрешении или пространственной чувствительности, которые свойственны распределенным системам регистрации температуры.

Фиг.12В изображает один вариант осуществления системы 10, имеющей систему 12 с локализованными нагревателями 26 для нагревания избранных, заранее определенных, участков формации 16, через которые проходит скважина 18. Вариант осуществления на фиг.12В, имеющий систему 12 с локализованным устройством генерации тепла, может быть использован при обстоятельствах, где конфигурация распределенной генерации тепла на фиг.12А не создает адекватных температурных возмущений в скважине. Электрический ток может быть подан с поверхности или из силовой установки в скважине 18. Как и в варианте осуществления на фиг.12А, температура вдоль скважины 18 может контролироваться с помощью датчиков 14. В варианте осуществления на фиг.12В локализованные нагреватели 26 работают эффективно в одной или нескольких целевых зонах, обеспечивая требуемую или желаемую генерацию тепла в формации 16. При этом могут быть сгенерированы более избирательные и более точные изменения температуры. Фиг.12В изображает дополнительную конфигурацию, которая требуется для изображенного варианта осуществления, включающую в себя нагреватель большей длины, достаточной для покрытия пространственного разрешения РСРТ системы.

Фиг.12С изображает еще один вариант осуществления системы 10, имеющей систему 12 с локализованными нагревателями 26 и в этом варианте осуществления - локализованные высокоточные температурные датчики 28. В варианте осуществления на фиг.12С локализованные температурные датчики 28 могут быть использованы с кабель-датчиком 14 и локализованными устройствами 26 генерации тепла, как обсуждалось выше в других вариантах осуществления. При этом в примере, где система 12 не дает достаточно высокого разрешения по температуре и/или глубине, система 10 на фиг.12С может быть использована с одним или несколькими локализованными нагревателями 26 в сочетании с одним или несколькими локализованными температурными датчиками 28, такими как датчик на волоконных решетках Брэгга и резисторный температурный детектор, для обеспечения подходящего, желаемого или требуемого пространственного и/или температурного разрешения. В настоящем варианте осуществления изменения температуры могут контролироваться с помощью как локализованных датчиков 28, так и кабель-датчика 14.

Локализованные нагреватели, такие как показанные на фиг.12С, могут быть использованы для обеспечения эффективного целевого нагревания в одной или более заранее определенных интересующих зонах. При этом является возможным получать более высокое разрешение по глубине, используя локализованные нагреватели и датчики, как изображено в варианте осуществления на фиг.12С, несмотря на то, что могут потребоваться конфигурации в дополнение к изображенной на фиг.12А для установки системы.

Фиг.12D изображает еще один вариант осуществления системы 10 для динамических измерений температуры, имеющий распределенные трубные генераторы 20 тепла из металла, и/или пластика, или другого подобного материала, например, с различным сопротивлением в одной или более трубах и локализованные высокоточные температурные датчики 28, размещенные в скважине 18 в формации 16. В варианте осуществления на фиг.12D, распределенный нагреватель, такой как электрически изолированный металлический трубный генератор 20 тепла, может быть использован в конфигурации с локализованными высокоточными температурными датчиками 28 в ситуации, где распределенная система регистрации температуры может не обеспечивать достаточно высокое разрешение по температуре и/или глубине. При этом нагреватель 20 на всей глубине скважины 18 может быть снабжен локализованными температурными датчиками 28, такими как датчики на волоконных решетках Брэгга и/или резисторные температурные детекторы. Датчики (не показаны), такие как кабель-датчики в указанной системе, могут быть по желанию или необходимости объединены с системой 10 на фиг.12D.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения динамические измерения температуры могут быть получены с использованием устройства активной генерации тепла в скважине, такой как скважины по добыче углеводородов, углекислого газа и/или воды. Настоящее изобретение предполагает применимость в формациях, несущих метангидраты и тяжелую нефть. Здесь под «тяжелой нефтью» подразумеваются отложения вязкой нефти, такой как тяжелая нефть, гудронный песок, битум, нефтеносный песок, для которых знание тепловых параметров желательно и/или необходимо для целей разработки и извлечения. В целях пояснения некоторые варианты осуществления настоящего изобретения описаны здесь с тепловым возмущением/стимулированием с помощью устройства по генерации тепла. Однако настоящее изобретение также предполагает использование охладителя, например устройства с использованием эффекта Пельтье, для возмущения температуры в подземной формации для целей теплового описания формации. При этом настоящее изобретение предполагает широкую применимость способов и систем, здесь раскрытых, для ряда попыток, использующих локальное описание тепловых параметров подземных структур для целей разведки и/или разработки структур.

Предшествующее описание было представлено только для иллюстрации и описания изобретения и некоторых примеров его реализации. Оно не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать изобретение любой раскрытой точной формой. Много модификаций и вариаций являются возможными в свете вышеизложенного.

Предпочтительные аспекты были выбраны и описаны для наилучшего объяснения принципов изобретения и его практических применений. Предшествующее описание предназначено позволить другим специалистам в данной области техники использовать изобретение в различных вариантах осуществления и аспектах и с различными модификациями, которые являются подходящими в конкретном предусмотренном применении. Объем изобретения определен следующей формулой изобретения.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для определения тепловых параметров подземных структур на основе скважинных динамических тепловых измерений. Техническим результатом изобретения является обеспечение динамических измерений подземных тепловых свойств формаций за счет использования активного нагревания и/или охлаждения, то есть известного температурного возмущения или возбуждения, вызванного отправкой известного сигнала в подземные формации. Для этого с помощью нагревательного или охлаждающего устройств создают тепловое возмущение в заранее определенной интересующей области. При этом нагревающее или охлаждающее устройство содержит нагреватель или охладитель, окружающий по меньшей мере один температурный датчик, расположенный в скважине. Измеряют температуру интересующей области во времени и определяют с помощью процессора тепловой параметр формации на протяжении заранее определенного периода времени. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.

1. Способ определения одного или нескольких тепловых параметров углеводородосодержащей формации для характеристики формации, содержащий следующие этапы:
создание теплового возмущения в скважине в заранее определенной интересующей области посредством нагревающего устройства, содержащего нагреватель, окружающий температурный датчик;
получение данных теплового отклика на основе времени изменения температуры интересующей области, включающее измерение температуры интересующей области на протяжении заранее определенного периода времени;
определение теплового свойства формации на основе данных теплового отклика формации.

2. Способ по п.1, в котором этап создания теплового возмущения в скважине включает активное нагревание интересующей области.

3. Способ по п.1, в котором этап создания теплового возмущения в скважине содержит активное распределение нагревания интересующей области.

4. Способ по п.1, в котором этап получения данных теплового отклика включает получение данных путем расположения одного или более температурных датчиков в скважине.

5. Способ по п.1, в котором этап получения данных теплового отклика включает получение данных путем распределенной по скважине регистрации изменения температуры.

6. Способ по п.1, в котором этап получения данных теплового отклика включает получение данных путем локализованной регистрации изменения температуры.

7. Способ по п.1, в котором этап получения данных теплового отклика включает регистрацию изменения температуры в интересующей области скважины, и получение данных теплового отклика включает изменение данных локальной температуры во времени.

8. Способ по п.7, в котором этап определения тепловых параметров включает предоставление изменения локальной температуры во времени процессору для определения тепловой проводимости формации.

9. Способ по п.1, в котором этап определения тепловых параметров включает определение одной или нескольких из тепловой проводимости, тепловой диффузности и тепловой емкости формации.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап характеристики формации посредством одного или нескольких ответных результатов, основанных на тепловых параметрах формации, относящихся к одной или нескольким характеристикам углеводородов в формации для тепловой обработки углеводородов, одному или нескольким физическим параметрам формации для оконтуривания формации, и этап постоянного контроля рабочей скважины, пересекающей формацию.

11. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап использования способа нагретой проволоки для определения теплового свойства формации на основе данных теплового отклика формации.

12. Способ по п.11, котором тепловым параметром является тепловая проводимость формации.

13. Система для определения одного или нескольких тепловых параметров углеводородосодержащей формации для характеристики формации, содержащая, по меньшей мере, одно нагревающее устройство и охлаждающее устройство, предназначенные для создания теплового возмущения в скважине в заранее определенной интересующей области, и регистрирующую систему, предназначенную для получения данных теплового отклика в скважине и определения, по меньшей мере, одного теплового параметра формации на основе изменения во времени температуры интересующей области, и содержащую, по меньшей мере, один температурный датчик, расположенный в скважине, и процессор, предназначенный для определения температуры интересующей области на протяжении заранее определенного периода времени, при этом по меньшей мере одно нагревающее или охлаждающее устройство содержит нагреватель или охладитель, окружающий по меньшей мере один температурный датчик, для создания теплового возмущения вдоль скважины, проходящей через формацию.

14. Система по п.13, в которой тепловым свойством формации является одна или несколько из тепловой проводимости, тепловой диффузности и тепловой емкости формации.

15. Система по п.13, в которой, по меньшей мере, одно нагревающее устройство и охлаждающее устройство содержит, по меньшей мере, один нагреватель, предназначенный для активного распределенного нагревания заранее определенной интересующей области, или один нагреватель, предназначенный для активного локального нагревания заранее определенной интересующей области.

16. Система по п.13, в которой температурный датчик приспособлен для распределенной регистрации изменения температуры в скважине.

17. Система по п.16, в которой температурный датчик приспособлен для локализованной регистрации изменения температуры в скважине.

18. Система по п.13, в которой нагревающее и охлаждающее устройство и регистрирующая система содержат одну или несколько из распределенной системы регистрации температуры, резистивного нагревателя, датчика на волоконных решетках Брэгга и резисторного температурного детектора.

19. Система по п.18, в которой резистивный нагреватель содержит трубу с изменяющимся сопротивлением, предназначенную для скважинного локализованного нагревания формации.

20. Система по п.18, в которой резистивный нагреватель содержит одну или несколько из пластиковой трубы и электрически изолированной металлической трубы.

21. Система по п.18, в которой нагревающее устройство содержит внешнюю трубу распределенной системы регистрации температуры.

22. Система по п.13, в которой температурный датчик, предназначен для регистрации изменения температуры в скважине в заранее определенной интересующей области, и данные теплового отклика содержат изменение данных локальной температуры во времени.

23. Система по п.22, в которой процессор приспособлен для определения тепловой проводимости формации на основе изменения данных локальной температуры во времени.

24. Система по п.23, в которой процессор приспособлен для определения тепловой проводимости, по меньшей мере, формации, содержащей гидрат метана, или формации, содержащей тяжелую нефть.