Система и способ индуцирования электромагнитного поля в земле
Изобретение относится к системам, генерирующим электрическое поле на значительных глубине и площади в земле. Система содержит по меньшей мере один проводник, находящийся в электрическом контакте с землей и проходящий на глубину, составляющую по меньшей мере 50 м; множество электродов, размещенных со смещением на радиальное расстояние от проводника вдоль поверхности земли на расстояние, составляющее по меньшей мере 0,2 от глубины проводника; передатчик для подачи выходного напряжения или тока, который электрически подключен к множеству разнесенных электродов и к указанному проводнику, и при установлении выходного напряжения или тока внутри земли создается множество путей протекания тока между каждым из множества электродов и проводником в диапазоне глубин проводника; и массив электромагнитных датчиков, размещаемых над интересующей областью поверхности с целью измерения одного или более электромагнитных полей либо одного или более компонентов электромагнитного поля, которые могут быть поставлены в соответствие подповерхностным характеристикам земли. Изобретение позволяет расширить горизонтальный диапазон конфигурации источников электромагнитного поля и устранить необходимость в проводном подключении питающего электрода, размещаемого глубоко в скважине. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США №61/698226 под названием «Система и способ индуцирования электромагнитного поля в земле», поданной 7 сентября 2012 года, и по предварительной патентной заявке США №61709352 под названием «Продолжение системы и способа индуцирования электромагнитного поля в земле», поданной 4 октября 2012 года.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к системе и способу создания электромагнитного (ЭМ) поля в земле. Более конкретно, настоящее изобретение относится к генерированию электрического поля на значительной глубине и на значительной площади с помощью обсаженной скважины. Описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения относятся, главным образом, к электромагнитному (ЭМ) подземному зондированию на основе электрических токов и результирующих электрических и магнитных полей, создаваемых этими токами. В настоящем документе термин «земля» обычно относится к любой области, в которой может быть расположена обсаженная скважина, включая, например, литосферу.
[0003] Геофизическое ЭМ зондирование измеряет удельное сопротивление земли как функцию глубины. Типовыми интересующими целевыми объектами зондирования являются рудные скопления, углеводороды, вода, пропанты, текучие среды для гидравлического разрыва пласта (фрекинга), соли и другие вещества, закачиваемые в землю с целью повышения эффективности геофизического зондирования, а также вещества, загрязняющие окружающую среду. Поскольку удельные электрические сопротивления таких целевых объектов и окружающей их среды могут довольно-таки значительно различаться, можно отличать их друг от друга путем измерения под поверхностного удельного сопротивления земли при приложении электромагнитного поля. С помощью данной методологии могут быть определены глубина, толщина и горизонтальная протяженность интересующих материалов.
[0004] Источник ЭМ поля, используемого при геофизическом зондировании, может быть природного происхождения или искусственным. Искусственный источник содержит передатчик и электроды, которые осуществляют контакт с землей. Передатчик генерирует колебательное напряжение с требуемой зависимостью формы сигнала от времени, которое индуцирует протекание электрического ток в земле. Ток втекает в землю через питающий электрод и возвращается на передатчик через противоэлектрод. Однако направление протекания тока обычно является колебательным, поэтому столь же верно утверждение, что ток втекает в землю через противоэлектроды и вытекает из нее через питающий электрод.
[0005] Ток, индуцированный в земле с помощью передатчика, создает первичное магнитное поле, а также электрическое поле за счет электрического сопротивления земли. Будучи колебательными, эти поля создают вторичные ЭМ поля. Например, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует электрическое поле. Электрические свойства земли и скорость изменения поля определяют соотношение напряженностей вторичного и первичного полей. Комбинация первичного и вторичного полей приводит к комбинированному электромагнитному взаимодействию с землей даже в случае, если источник предназначен для создания только электрического или только магнитного поля.
[0006] В то время как большинство геофизических ЭМ зондирований проводится при нахождении ЭМ источника на поверхности земли, скважина может обеспечить физический доступ к подземной области. Подключение геофизического передатчика к земле через скважину обеспечивает возможность создания ЭМ полей в земле на желаемых глубинах без ослабления и неопределенности, которые могли бы иметь место в случае, если бы исходные поля создавались источником на поверхности земли.
[0007] В настоящее время скважинные источники подразделяются на три категории: а) каротажные, в которых источник и приемник располагаются в одной и той же скважине; б) межскважинные электромагнитные и в) скважинно-поверхностные электромагнитные (СПЭМ). Скважинные источники используются для каротажа и проектируются для создания ЭМ полей в непосредственной близости от скважины, обычно в скальной породе, на расстоянии порядка 1 м с внешней стороны от скважины. Межскважинные ЭМ источники создают ЭМ поле, которое измеряется в соседней скважине, на удалении примерно до 1 км. Согласно современной практике, межскважинные источники генерируют магнитное поле, которое измеряется магнитным датчиком в соседней скважине. В способе СПЭМ источник находится внутри скважины, а массив ЭМ датчиков размещается на поверхности земли. До настоящего времени, исследования способом СПЭМ осуществлялись также при размещении источника и датчиков электрического поля на поверхности земли.
[0008] Фиг. 1 показывает известную конфигурацию, в которой скважинный источник 2 электрического поля содержит электрод 10, именуемый питающим токовым электродом и размещенный на глубине внутри ствола В скважины W, и электрод 20, размещенный на поверхности S земли вблизи скважины и действующий в качестве противоэлектрода. Передатчик 30 генерирует напряжение, которое индуцирует протекание электрического тока между питающим электродом 10 и противоэлектродом 20. Часть этого тока втекает в землю, где создает ЭМ поля, которые характеризуют электрические свойства локальной подземной среды.
[0009] Обычная конфигурация, с питающим токовым электродом на глубине внутри скважины и противоэлектродом на верхнем конце скважины, удобна для применения, однако она имеет недостаток, состоящий в том, что электрический ток в значительной степени течет в вертикальном направлении. Типовые пути протекания тока и соответствующие параллельные электрические поля показаны линиями на фиг. 1 с иллюстративными целями. Данные пути протекания показаны только с одной стороны скважины, однако следует понимать, что они должны проходить с приблизительной азимутальной симметрией по всей области вокруг скважины. Конкретные пути протекания тока зависят от удельной электрической проводимости земли, которая (проводимость) обычно изменяется в зависимости как от глубины, так и от азимута относительно скважины. Тем не менее, независимо от специфических путей протекания тока, размещение противоэлектрода вблизи скважины минимизирует горизонтальное протекание тока от скважины. В результате, создаваемое в земле ЭМ поле резко уменьшается с увеличением горизонтального расстояния от скважины.
[0010] Одна из инноваций, направленных на расширение горизонтального диапазона конфигурации СПЭМ, состоит в размещении нескольких противоэлектродов 20' на расстоянии от скважины W', сравнимом с глубиной размещения питающего электрода 10' и при этом не меньшем 10% от глубины скважины. Данное новшество описано в недавно поданной заявке на патент PCT/US12/39010: «Система и способ измерения или генерирования скважинного электрического поля», авторы Гиббс и Глезер, и показано на фиг. 2. Инициируется протекание тока через землю в горизонтальном направлении (т.е. перпендикулярно вертикальной скважине) на расстояние, по меньшей мере равное радиальному расстоянию между источником и противоэлектродами. Такая конфигурация может быть названа радиально заземленным источником (РЗИ). Кроме того, потенциальным недостатком способа СПЭМ является необходимость во вскрытии скважины и в проводной линии для подключения к токовому электроду, опущенному на желаемую глубину. Еще одной потенциальной проблемой конфигурации СПЭМ является наличие электрического напряжения на обсадной трубе.
[0011] В любом случае, вышеуказанный известный уровень техники нуждается в усовершенствовании по ряду пунктов и, в частности, в устранении необходимости в проводном подключении питающего электрода, размещаемого глубоко в скважине.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Согласно настоящему изобретению, скважина по меньшей мере частично обсаживается в земле посредством обсадной трубы. Вдоль поверхности земли, на значительных расстояниях по горизонтали от скважины, размещается множество электродов. Эти электроды электрически подключаются к передатчику, который также электрически подключается к обсадной трубе. Эта труба изготовлена из электропроводного материала, так что она действует в качестве электрода внутри скважины. При такой конфигурации пути протекания электрического тока Р могут быть реализованы в земле между обсадной трубой и множеством электродов по всей глубине обсадной трубы. Данная система может использоваться для различных целей, в том числе как часть аппаратуры геофизического зондирования, для определения удельного электрического сопротивления пород и для отображения физического распределения широкого диапазона текучих, твердых и газообразных формаций внутри земли.
[0013] Дополнительные цели, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из последующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Фиг. 1 показывает обычную конфигурацию СПЭМ с питающим электродом на глубине внутри скважины и противоэлектродом на поверхности земли вблизи скважины.
[0015] Фиг. 2 показывает известную конфигурацию с радиально заземленным источником (РЗИ), содержащую питающий электрод на глубине внутри скважины и два или более противоэлектрода, расположенных со значительным горизонтальным смещением на поверхности земли.
[0016] Фиг. 3 показывает конфигурацию скважинного источника тока согласно настоящему изобретению, с соединением питающего электрода, выполненным на верхнем конце обсадной трубы, и противоэлектродами, размещенными со значительным горизонтальным смещением на поверхности земли.
[0017] Фиг. 4А и 4В показывают пути протекания тока в земле и вдоль обсадной трубы для конфигураций источника тока СПЭМ (фиг. 4А) и РВЗТ (фиг. 4В).
[0018] Фиг. 5 показывает распределение линий электрического поля в земле для питающего электрода, находящегося в контакте с внутренней стороной стальной обсадной трубы скважины в конфигурации РЗИ.
[0019] Фиг. 6 показывает распределение линий электрического поля в земле для электрического обратного соединения на верхнем конце скважины со стальной обсадной трубой (конфигурация РВЗТ), при этом контакт электрода с обсадной трубой показан стрелкой, направленной вверх.
[0020] Фиг. 7 показывает изменение напряженности горизонтального электрического поля на поверхности земли для питающего электрода, находящегося в контакте с обсадной трубой на глубине 2000 м и на поверхности земли (0 м), как функцию радиального расстояния (г) от скважины.
[0021] Фиг. 8 показывает измеренное поверхностное электрическое поле, создаваемое источником РВЗТ, содержащим пять отдельных электродов, распределенных на четверти окружности.
[0022] Фиг. 9А и 9В показывают источник РВЗТ, используемый для получения данных на фиг. 8, при этом фиг. 9А показывает электрический контакт на верхнем конце обсадной трубы, а фиг. 9В показывает один из пяти питающих электродов источника, закрытых защитным ограждением.
[0023] Фиг. 10 показывает плотность подземного электрического тока в горизонтальной плоскости на глубине 1950 м для обычных конфигураций СПЭМ и РВИ и для конфигурации РВЗТ.
[0024] Фиг. 11 показывает вид в плане конфигурации РВЗТ, в которой обсадная труба скважины представляет собой в сечении кольцо с центром на оси ствола скважины; множество дискретных питающих электродов (внешние точки на окружности) размещено на приблизительно одинаковом радиальном расстоянии от центра и разнесено в окружном направлении скважины, при этом питающие электроды могут возбуждаться по отдельности с тем, чтобы генерировать подземное поле, локализуемое в определенной области (затемненный сегмент).
[0025] Фиг. 12 показывает схему применения конфигурации РВЗТ согласно настоящему изобретению к горизонтальной скважине; здесь передатчик индуцирует электрические токи, втекающие из массива поверхностных электродов в землю в направлениях, показанных стрелками, т.е. вглубь в направлении обсадной трубы, и с помощью двумерного массива датчиков электрического поля составляется карта путей протекания этих токов в земле.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Как будет более полно пояснено ниже, вариант реализации настоящего изобретения, показанный на фиг. 3, содержит систему 50, которая заведомо исключает использование питающего электрода на глубине внутри скважины; вместо этого данная система основана на использовании целиком всей обсадной трубы 60 скважины 65 для создания множества путей протекания электрического тока в земле путем выполнения электрического соединения на верхнем конце 70 обсадной трубы 60. Как показано на фиг. 3, скважина 75 по меньшей мере частично образована обсадной трубой 60. Вдоль поверхности 80 земли расположено множество разнесенных электродов 85, смещенных на значительное расстояние по горизонтали от скважины 70. Электроды 85, которые практически могут служить и в качестве питающих электродов, и в качестве противоэлектродов, как будет пояснено ниже, подключены к передатчику 90, который также электрически подключен к обсадной трубе 60. Труба 60 изготовлена из электропроводного материала, так что она тоже действует как электрод, вытянутый вниз до самой глубокой точки скважины 75. При такой конфигурации пути протекания электрического тока Р могут быть созданы в земле между обсадной трубой 60 и множеством электродов 85 по всей глубине скважины. В этой связи необходимо иметь ввиду, что настоящее изобретение применяется, в первую очередь, к конфигурации СПЭМ, хотя оно также применимо к межскважинным конфигурациям и, в случае необходимости, может быть применено также и к каротажу. Поэтому наиболее уместно описывать настоящее изобретение в сравнении с существующей практикой СПЭМ. Кроме того, следует иметь в виду, что множество электродов 85, состоящее по меньшей мере из двух электродов, расположено вдоль поверхности земли или вблизи нее, причем термины «вдоль» и «вблизи» относятся к электродам, находящимся на поверхности земли, либо заглубленным электродам, расположенным на относительно небольшом удалении, например от 1 до 20 м, и обычно проходящим на существенную глубину для обеспечения надлежащего электрического контакта с горизонтом грунтовых вод и определения конкретной интересующей области или поля.
[0027] Разумеется, существуют различные возможные пути возбуждения такой системы. В случае, если конфигурация, показанная на фиг. 3, возбуждается тем же способом, что и обычный источник СПЭМ (фиг. 1) или РЗИ (фиг. 2), мощность, прикладывавшаяся к нижнему электроду в СПЭМ или РЗИ, будет вместо этого прикладываться к обсадной трубе. Тем не менее, несмотря на простоту в применении, такая конфигурация будет прикладывать максимальное электрическое напряжение на верхнем конце обсадной трубы. Возбуждение обсадной трубы при полном напряжении на поверхности земли потребует обеспечения периметра безопасности вокруг скважины. Кроме того, в случае, если обсадная труба является частью действующей скважины, она будет подключаться к другой инфраструктуре, в частности к трубопроводам. Напряжение на обсадной трубе будет прикладываться также и к этой инфраструктуре, результатом чего могут стать дополнительные проблемы, такие как протекание электрического тока в подключенных проводниках и рассеяние значительной мощности от передатчика. Соответственно, если верхний конец обсадной трубы возбужден, предпочтительно должны быть выполнены отсоединение и электрическая изоляция обсадной трубы от обычно связанной с нею инфраструктуры.
[0028] Один из способов решения проблемы возбуждения верхнего конца обсадной трубы состоит в подключении к трубе не по всей глубине, а лишь на некотором удалении от поверхности, и заземлении верхнего конца обсадной трубы. Например, может быть выполнено подключение на глубине 100 м к обсадной трубе, вытянутой от поверхности земли на 2000 м, с заземлением (т.е. поддержанием под напряжением О В) верхнего конца трубы, в результате чего лишь 5% тока потечет вниз по обсадной трубе от точки подключения, а остальные 95% тока потекут вверх к поверхности земли. Тем не менее, хотя данный подход возможен, он требует подачи значительно большей мощности на обсадную трубу, чем требуется в других случаях.
[0029] Более предпочтительный подход состоит в том, чтобы вместо возбуждения одного или более электродов 85 и поддержания верхнего конца обсадной трубы под напряжением О В, использовать конфигурацию, которую можно назвать «радиально возбуждаемая заземленная труба» (РВЗТ). В конфигурации РВЗТ амплитуда напряжения, прикладываемого к земле, максимальна на электродах 85, в то время как в обычной конфигурации СПЭМ напряжение максимально на дне скважины. Следовательно, принимая во внимание, что теперь эти новые точки являются точками высокого напряжения цепи, «противоэлектроды» будут переименованы в «питающие электроды» (обратите внимание, что данная конфигурация будет использовать эти электроды в качестве питающих электродов, а не противоэлектродов, хотя в силу предпочтительного использования переменного тока это является всего лишь вопросом семантики). В конфигурации РВЗТ ток, протекающий в обсадной трубе, и напряжение на ней весьма сходны с теми, которые имеют место в обычной конфигурации СПЭМ, показанной на фиг. 4. Таким образом, в конфигурации РВЗТ максимальная амплитуда напряжения на обсадной трубе всегда меньше, чем в конфигурации СПЭМ. Принимая во внимание тот факт, что удельное сопротивление земли намного выше, чем у обсадной трубы, максимальная амплитуда напряжения в любом месте на трубе в конфигурации РВЗТ может быть значительно меньше, чем в обычной конфигурации СПЭМ.
[0030] Наиболее простой путь подключения передатчика к обсадной трубе состоит в подключении кабеля, отходящего от передатчика, непосредственно к верхнему концу трубы. При этом нет необходимости в обеспечении непосредственного физического контакта; достаточно, чтобы электрическое сопротивление между передатчиком и обсадной трубой было меньше, чем общее электрическое сопротивление пути от передатчика до питающих электродов и далее через землю до трубы. Таким образом, цепь от обсадной трубы до передатчика может быть выполнена путем размещения одного или большего количества приповерхностных электродов в земле вблизи обсадной трубы и их подключения непосредственно к кабелю, который соединен с передатчиком. Ток проходит от этих приповерхностных электродов непрямым путем в верхнюю область обсадной трубы через землю или наоборот. Такой подход может быть особенно полезным в ситуациях, когда немедленный доступ с поверхности к обсадной трубе невозможен. Учитывая тот факт, что питающие электроды обычно находятся на расстоянии 1 км и более от обсадной трубы, электроды, используемые для подключения к верхнему концу трубы, могут находится на сравнительно небольшом расстоянии от нее (например, 50 м), в зависимости от максимально допустимого напряжения. В отличие от этого, питающие электроды размещаются на радиальном расстоянии от скважины, превышающем 0,2 от максимальной глубины обсадной трубы, обычно составляющей более 200 м.
[0031] Кроме того, хотя самый простой способ состоит в непосредственном контакте с обсадной трубой, в этом нет необходимости, и электрический контакт с трубой может быть обеспечен с помощью любого электрического проводника достаточного размера, например с помощью трубопровода, соединенного с обсадной трубой, или любой инфраструктуры для освоения скважины.
[0032] В обычных конфигурациях СПЭМ и РЗИ обсадная труба возбуждается из глубинного места, приблизительно оттуда, где размещен источник, в то время как в конфигурации РВЗТ питающие электроды находятся на поверхности земли. Как можно видеть на фиг. 3 и 4, в конфигурации РВЗТ лишь малая часть электрического тока инжектируется в землю на значительной глубине. Тем не менее, во всех трех конфигурациях обсадная труба представляет собой важный путь протекания тока, и расчеты показывают, что сравнимая величина тока инжектируется в землю на глубине независимо от того, где подключен высоковольтный выход передатчика. Действительно, преимущество конфигурации РВЗТ состоит в том, что контакт источника с землей осуществляется на хорошо известной глубине (приблизительно 0 м), в то время как в обычных конфигурациях СПЭМ и РЗИ электрический ток вытекает из внутреннего питающего токового электрода и скважинной обсадной трубы в диапазоне глубин, зависящем от удельной электрической проводимости внутренней скважинной жидкости.
[0033] Сравнение токов, протекающих в земле в конфигурациях СПЭМ и РЗИ, показано на фиг. 5 и 6. Земля моделируется как слоистая структура, содержащая верхний пласт толщиной 500 м с удельным сопротивлением 13 Ом⋅М, второй пласт толщиной 1400 м с удельным сопротивлением 125 Ом⋅м, углеводородный пласт толщиной 50 м с удельным сопротивлением 30 Ом⋅м и нижний пласт толщиной 200 м с удельным сопротивлением 100 Ом⋅м. Скважина со стальной обсадной трубой проходит вниз до глубины 2200 м, и кольцевой противоэлектрод размещен на поверхности на радиальном расстоянии 3000 м от скважины. В особо предпочтительном варианте, показанном на фиг. 5, питающий электрод контактирует с обсадной трубой на глубине 2000 м, как показано горизонтальной красной стрелкой. Кольцевой противоэлектрод, обозначенный вертикальной красной стрелкой, размещен на поверхности на радиальном расстоянии 3000 м. Фиг. 5 показывает распределение в поперечном сечении линий электрического поля в земле для случая, когда питающий электрод конфигурации РВЗТ контактирует изнутри с обсадной трубой на глубине 2000 м, так что весь электрический ток инжектируется в трубу на этой глубине. Электрическое поле параллельно электрическому току, и фиг. 5, 6 также показывают распределение этого электрического тока. В данном расчете электрическое поле преимущественно перпендикулярно оси скважины вплоть до радиального расстояния порядка 2500 м, согласно новшествам, внесенным в конфигурацию РЗИ.
[0034] Фиг. 6 показывает эквивалентный расчет распределения в поперечном сечении линий электрического поля в земле, как на фиг. 5, но для случая электрического подключения на верхнем конце обсадной трубы, т.е. на глубине 0 м, в то время как кольцевой электрод, обозначенный вертикальной стрелкой, расположен на поверхности на радиальном расстоянии 3000 м в общем примере реализации настоящего изобретения. Даже несмотря на то, что второй и нижний пласты земли в указанной модели имеют более высокое удельное сопротивление, чем верхний пласт, имеет место значительное электрическое поле на глубине свыше 1 км. В отличие от представленных прогнозируемых результатов исследований с помощью конфигурации СПЭМ, в конфигурации РВЗТ электрические токи протекают вниз по обсадной трубе и втекают в окружающую землю в значительном количестве на значительной глубине, проходя практически весь путь до дна обсадной трубы. Таким образом, в сочетании с питающими электродами, расположенными со значительным горизонтальным смещением, методика РВЗТ обеспечивает возможность инжекции тока в землю на большой глубине через скважинную обсадную трубу, без введения электрода на глубину внутрь трубы.
[0035] Из фиг. 6 понятно, что подземный ток проходит горизонтальное расстояние от питающих электродов до обсадной трубы, однако он также втекает в область с внешней стороны от периметра, задаваемого кольцом питающих электродов. Например, даже в самом нижнем пласте указанной модели земли ток вытекает по горизонтали за пределы 3000-метрового радиуса, задаваемого питающими электродами, и далее доходит до предельной границы модели. Аналогичным образом, ток вытекает вниз за самую глубокую точку, задаваемую обсадной трубой. Это последнее свойство характерно для конфигурации РЗС и, хотя и в меньшей степени, - для обычной конфигурации СПЭМ. В результате, хотя диапазон исследований с помощью конфигурации СПЭМ легче всего определяется глубиной обсадной трубы и областью, окруженной противоэлектродом, он не ограничивается только этой специфической областью. Соответственно, для осуществления исследований с помощью конфигурации РВЗТ на определенной глубине, не обязательно иметь обсадную трубу или другой проводник, проходящий полностью до этой глубины.
[0036] В исследованиях с помощью конфигурации СПЭМ горизонтальное электрическое поле измеряется на поверхности земли. Согласно одной из интерпретаций, взаимосвязь между частотными компонентами поверхностного электрического поля может быть поставлена в соответствие наличию углеводородов в подземных пластах. В другой интерпретации распределение электрического поля, измеренное на поверхности, может быть инвертировано для получения трехмерной модели удельного электрического сопротивления земли, которое, в свою очередь, может быть поставлено в соответствие распределению типовых целевых объектов, таких как углеводороды и другие природные ресурсы, имеющие экономическую ценность. В обоих случаях первичным интересующим параметром является напряженность поверхностного электрического поля (Es). Фиг. 7 показывает значение Es для питающего электрода, находящегося в контакте со скважинной обсадной трубой на глубине 2000 м (в случае РЗИ), и при подключении на поверхности земли (в случае РВЗТ), как функцию радиального расстояния (r) от скважины. Вблизи скважины (r<500 м) значение Es при конфигурации РВЗТв 2 и более раз выше, чем при конфигурации РЗИ, что и следовало ожидать, поскольку напряжение на верхнем конце обсадной трубы выше, чем напряжение, создаваемое в результате возбуждения с верхнего конца. По мере удаления от скважины (R>500 м) значения Es для конфигураций РЗИ и РВЗТ становятся по существу одинаковыми.
[0037] Фиг. 5-7 показывают электрические поля, создаваемые единственным непрерывным кольцом питающих электродов по центру или приблизительно по центру скважины. По существу такое же распределение подземного и поверхностного электрических полей может быть получено путем применения кольцевого питающего электрода в виде группы отдельных изолированных противоэлектродов. Кроме того, отсутствует необходимость в использовании питающих электродов в виде кольца как такового; может быть использована лишь часть кольца или практически любое другое распределение питающих электродов при условии, что они находятся на значительном расстоянии от скважины. Фиг. 8 показывает поверхностное поле, создаваемое квадрантом из пяти питающих электродов, размещенных приблизительно по дуге окружности радиусом 1 км, которая стягивает угол 90° при скважине (т.е. приблизительно четверть окружности). Эта скважина обсажена стальной трубой на глубину 860 м. Простой контакт металла с металлом, используемый для осуществления подключения на верхнем конце скважины, и один из питающих электродов показаны на фиг. 9. Данные на фиг. 8 указаны для прямоугольного сигнала, генерируемого с основными частотами 0,5 Гц и 4 Гц, и приведены к полному току 1 А. Эти данные сравниваются с аналитической моделью, которая предполагает, что земля имеет однородную изотропную проводимость со значениями, показанными на фиг. 8. Контрольные данные представляют собой напряженность горизонтального электрического поля на поверхности земли в радиальном направлении относительно скважины, в то время как сплошные линии показывают расчетное поверхностное поле для аналитической модели, которая предполагает однородное распределение удельного сопротивления земли.
[0038] Фиг. 8 иллюстрирует некоторые ключевые аспекты настоящего изобретения. Во-первых, поверхностное поле на радиальном расстоянии 1 км уменьшается лишь в 4 раза по сравнению с этим же полем на расстоянии 200 м и легко измеряется с помощью геофизического регистрирующего оборудования. Во-вторых, поле с внешней стороны радиуса окружности, на которой расположены питающие электроды, все еще легко поддается измерению (0,5 мкВ/м) даже на расстоянии 1900 м (т.е. почти в два раза больше радиального расстояния от скважины до питающих электродов).
[0039] Наиболее важным свойством источника в конфигурации СПЭМ является способность индуцировать ЭМ поля на желаемой глубине. На фиг. 10 сравниваются плотность электрического тока в горизонтальной плоскости на глубине 1950 м при обсадной трубе, которая вытянута на глубину 2000 м от поверхности, для трех конфигураций: СПЭМ, РЗИ и РВЗТ. Для конфигураций РЗИ и РВЗТ показаны подземные электрические токи при использовании противоэлектродного кольца радиусом 1500 м и 3000 м. Фиг. 10 показывает три основных свойства конфигурации СПЭМ.
1. Поля, индуцированные в земле, далеко выходят за периметр, задаваемый поверхностными электродами. Для конфигурации РВЗТ с противоэлектрода ми на окружности радиусом 1500 м (синяя пунктирная линия), подземный ток на глубине 1500 м уменьшается лишь в четыре раза между радиальными расстояниями 1500 м и 2500 м от скважины.
2. Для всех радиальных расстояний, показанных на фиг. 10, подземный ток на глубине 1950 м, создаваемый источником с конфигурацией РВЗТ, находится в пределах удвоенной величины в отношении поля, создаваемого источником с конфигурацией РЗИ. Это удвоение действует для поверхностных противоэлектродов на расстоянии 1500 м и 3000 м от скважины.
3. Для всех радиальных расстояний, показанных на фиг. 10, подземный ток, создаваемый конфигурациями РЗИ и РВЗТ, значительно больше, чем подземный ток, создаваемый обычной конфигурацией СПЭМ.
[0040] Как показано на фиг. 11, подземный электрический ток значительной величины может создаваться на горизонтальном расстоянии, в два и более раз превышающем радиус кольца питающих электродов. Таким образом датчики, используемые в качестве составной части исследовательской системы на основе РВЗТ, могут быт развернуты в приблизительно замкнутой поверхностной области, задаваемой питающими электродами, включая внешнюю (в пределах разумного расстояния) сторону области, окруженной питающими электродами. В частности, это дает экономическую выгоду благодаря сокращению числа питающих электродов и расстояния, на котором они развертываются, причем настоящее изобретение обеспечивает возможность использования некоторых датчиков с внешней стороны периметра, задаваемого питающими электродами.
[0041] Одно из преимуществ обычной конфигурации СПЭМ состоит в возможности изменения глубины размещения питающего токового электрода в скважине. Обычно исследования с помощью конфигурации СПЭМ сначала проводятся при размещении скважинного электрода на глубине, находящейся на несколько метров ниже границы интересующей формации, и затем повторяются при размещении этого же электрода на несколько метров выше верхней границы этой формации. Характеристика сигнала от данной формации может быть усилена относительно характеристик удельного сопротивления на меньших глубинах путем определения разности между поверхностными данными, зарегистрированными при размещении питающего электрода на двух глубинах (см. доклад «Первая скважина для поверхностных электромагнитных исследований в Саудовской Аравии: Картографирование и мониторинг месторождений в новых масштабах», Альберто Ф. Марсала, Мухаммад Аль-Буали, Заки Али и Шоусян Марк Ма (компания Сауди Арамко); Чжаньсян Хэ, Тан Биянь, Гуо Чжао и Тэйчжи Хэ (компания BGP CNPC); доклад представлен на Ежегодной технической конференции и выставке SPE (Общество инженеров-нефтяников Американского института горных инженеров), проходивших в Денвере, Колорадо, с 30 октября по 2 ноября 2011 года, и включен в настоящую заявку посредством ссылки). В конфигурации РЗИ питающий электрод может быть размещен на различных глубинах, однако в конфигурации РВЗТ электрод внутри скважины отсутствует. Тем не менее, эффект изменения глубины питающего электрода может быть воспроизведен путем изменения радиального расстояния от противоэлектродов до обсадной трубы. В случае обсадной трубы, которая является короткой по сравнению с радиальным расстоянием до питающих электродов, влияние глубины может быть аппроксимировано с помощью формулы. В особом случае, когда центральный электрод окружен кольцом радиуса b из противоэлектродов, эквивалентная глубина d при стандартном дипольном моменте р вычисляется по формуле (1), где I - полный ток, протекающий к кольцу электродов.
[0042] Фиг. 11 показывает конфигурацию группы питающих электродов, размещенных в виде кольца со скважиной в центре. Обычно питающие электроды представляют собой металлические стержни или пластины, размещаемые в земле на глубине от 1 м до 5 м способами, известными тем, кто хорошо знаком с данной областью техники. При желании положение каждого отдельного питающего токового электрода может быть выбрано на основе модели удельной электропроводности земли вблизи скважины с целью получения желаемого распределения электрического поля в земле. Таким образом, как показано на чертежах, раскрытая выше конфигурация с несколькими электродами может использоваться для сосредоточения на определенной интересующей области или поле, показанном здесь в виде дугообразной сегментированной области, связанной с кольцом, на котором установлены электроды. Кроме того, не требуется, чтобы питающие электроды были расположены через одинаковые промежутки или образовывали непрерывную линию, окружающую скважину. Более того, отдельные питающие электроды могут использоваться выборочно, например, путем замыкания переключателя, в то время как остальные электроды поддерживаются в неиспользуемом состоянии, например, путем размыкания переключателя, с целью сосредоточения на подземном поле в желаемом азимутальном направлении. При желании отдельные питающие электроды или группы этих электродов могут быть активированы последовательно во времени с целью создания в земле электрического поля, которое вращается или иным образом изменяет свое азимутальное направление вокруг скважины.
[0043] В дополнение к этому, в рамках объема изобретения находится использование малого количества питающих электродов, в т.ч. единственного питающего электрода, и их передислокация в течение всего исследования с тем, чтобы в процессе исследования, в конечном итоге, было задействовано все матричное распределение источников тока, если это необходимо. Например, как показано на фиг. 11, в позиции 1 может быть размещен единственный питающий электрод, на него подается токовый сигнал желаемой формы, и этот сигнал возвращается обратно на передатчик через землю и обсадную трубу. Этот единственный питающий электрод может быть затем извлечен из позиции 1 и передислоцирован в позицию 2, с повторением процесса подачи тока и его возврата через обсадную трубу. Данный процесс может быть продолжен, например, в позиции 3 и т.д., пока питающий электрод не будет последовательно передислоцирован во все позиции массива источников тока. Тем не менее, даже несмотря на то, что в способе последовательной передислокации может быть, в принципе, использован единственный питающий электрод, для обеспечения охвата области, предусмотренной настоящим изобретением, требуются по меньшей мере две позиции для питающих электродов.
[0044] Независимо от позиции питающих электродов, один или большее количество отдельных питающих электродов могут быть постоянно электрически соединены друг с другом с тем, чтобы они действовали как один распределенный питающий электрод. Кроме того, хотя во всех случаях применения питающие электроды показаны как находящиеся на поверхности земли или вблизи нее, эти электроды могут быть размещены на глубине внутри земли, и один или большее количество питающих электродов могут использоваться в качестве обсадных труб других скважин.
[0045] Для удобства на всех диаграммах и схематических чертежах скважина была изображена прямой и полностью вертикальной. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено прямыми или вертикальными скважинами и может быть применено к скважинам любой конфигурации. Особая геометрия скважины может быть применена в инверсионной модели, используемой для того, чтобы поставить в соответствие поверхностные поля Es распределению подземного удельного сопротивления. При периодическом мониторинге, когда интерес представляют только изменения поверхностных полей с течением времени, особая геометрия скважины может не иметь значения, если она не изменяется.
[0046] Особым примером огромной практической значимости является горизонтальная скважина. Фиг. 12 показывает конфигурацию РВЗТ для горизонтальной обсадной трубы. Токи втекают в землю из приблизительно кольцевой группы питающих электродов, приблизительно в центре которой расположена интересующая область формации. Ток течет вглубь к горизонтальной секции обсадной трубы и возвращается на поверхность земли по вертикальной секции. Массив поверхностных приемников регистрирует горизонтальное электрическое поле на поверхности с целью оценки распределения электрического тока в земле.
[0047] Помимо огромной практической пользы и экономической выгоды от использования скважинных обсадных труб, последние фактически являются также протяженными электрическими проводниками, находящимися в электрическом контакте с землей вплоть до значительных глубин, и способны передавать значительные электрические токи при выполнении исследований по методике РВЗТ. Не требуется, чтобы эти протяженные электрические проводники содержали обсадную трубу действующей скважины или были частью этой трубы. Например, протяженный проводник может представлять собой насосно-компрессорная колонну внутри обсаженной или необсаженной скважины, или твердый стержень, вставленный в необсаженную скважину, или электропроводную текучую среду, заполняющую необсаженную скважину, или твердый стержень, забуренный или забитый непосредственно в землю. Длинный проводник может также содержать несколько последовательных элементов при условии, что они находятся в электрическом контакте, например обсадную трубу в верхней части скважины и электропроводную текучую среду в нижней, необсаженной, части скважины. Для простоты, в настоящей заявке обычно используется термин «протяженный проводник», однако в наиболее предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения он представляет собой возвратный проводник.
[0048] Далее, хотя настоящее изобретение было описано только с одной скважиной, в рамках объема изобретения находится использование различных возвратных проводников в качестве путей протекания тока, например полос и отдельных частей или принадлежностей обсадной трубы. Эти проводники не обязательно должны находиться в центре области распределения питающих электродов, но обязательно должны находиться достаточно близко к питающим электродам, чтобы создать достаточные подземные токи на интересующей глубине. В некоторых исследованиях питающие электроды могут быть распределены так, чтобы в приблизительно равной степени использовать два или более возвратных проводников. Использование двух или более возвратных проводников обеспечивает возможность получения нескольких пространственных видов формации и таким образом уменьшает неопределенность в формируемой по результатам исследований окончательной картине подземного удельного сопротивления.
[0049] Ток, создаваемый конфигурацией РВЗТ, может быть постоянным (статическим) или переменным (колебательным). В случае постоянного тока сигнал представляет собой простое постоянное значение, выдаваемое при активации передатчика. В случае переменного тока может использоваться сигнал любой формы, хотя обычно при геофизическом зондировании, предназначенном для исследования земли на значительной глубине, используются сигналы с основной частотой между 0,01 Гц и 100 Гц, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 0,1 Гц до 10 Гц.
[0050] В случае создания колебательного тока передатчиком встает вопрос: какая часть системы является источником тока, а какая - возвратным проводником? Поскольку значительная площадь поверхности обсадной трубы находится в контакте с землей, обсадная труба очень близка по своему электрическому потенциалу к значению, которое условно называют «землей» или «потенциалом земли», в то время как потенциал питающих электродов задается относительно обсадной тубы и земли с помощью передатчика. Положительное и/или отрицательное выходное напряжение сигнала, генерируемого передатчиком, подается на питающие электроды, в то время как напряжения, генерируемые конфигурацией РВЗТ на поверхности в непосредственной близости от скважины и подключенной к ней инфраструктуры, имеют значительно меньшие значения, близкие к 0 В, относительно потенциала земли и ни в коем случае не превышают допустимого напряжения (например, 50 В), установленного для данного места проведения работ, чтобы избежать опасности для персонала и оборудования.
[0051] Благодаря тому, что не требуется доступ внутрь скважины, конфигурация РВЗТ согласно настоящему изобретению может использоваться с активно действующими скважинами, через которые ведется добыча углеводородов, со скважинами, используемыми для подачи под давлением текучих сред, используемых в качестве компонента для добычи углеводородов, и со скважинами, которые содержат оборудование, блокирующее доступ в глубину скважины для электродов, необходимых в конфигурациях СПЭМ и РЗИ. Также благодаря тому, что напряжение, прикладываемое к скважине при работе РВЗТ, близко к потенциалу земли, эта скважина может оставаться полностью или частично в рабочем состоянии во время проведения исследований. Эти два отличительных свойства системы согласно настоящему изобретению позволяют получить значительную экономическую выгоду. В частности, в отличие от СПЭМ, они обеспечивают возможность использования способа РВЗТ для длительного мониторинга на действующих скважинах.
[0052] Настоящее изобретение может также использоваться на скважинах, которые временно или окончательно выведены из эксплуатации. В этом случае дополнительная выгода состоит в том, что не требуется доступ к внутренней области таких скважин, так что скважина, которая не может использоваться для добычи по причине своей физической деградации, продолжает оставаться пригодной для исследований с использованием РВЗТ при единственном условии, что оставшаяся часть обсадной трубы может проводить значительный электрический ток.
[0053] Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты его реализации, необходимо хорошо понимать, что возможно внесение различных изменений и/или модификаций в настоящее изобретение без отступлений от сущности изобретения. В частности, должно быть ясно, что число электродов может изменяться в широких пределах, обычно начиная с 2 или более; поверхностные электроды размещаются на большом расстоянии от скважины; глубина монтажа поверхностных электродов может изменяться, обычно от поверхности до уровня, на котором электроды контактируют с горизонтом грунтовых вод в данной области; и в качестве высоковольтного электрода (электродов) могут выступать поверхностные электроды или обсадная труба.
1. Система для индуцирования электрического тока на глубине внутри земли, содержащая:
по меньшей мере один проводник, находящийся в электрическом контакте с землей и проходящий на указанную глубину, составляющую по меньшей мере 50 м;
множество разнесенных электродов, размещенных со смещением на радиальное расстояние от указанного по меньшей одного проводника вдоль поверхности земли на расстояние, составляющее по меньшей мере 0,2 от глубины по меньшей мере одного проводника; и
передатчик для подачи выходного напряжения или тока требуемой формы, который электрически подключен как к множеству разнесенных электродов, так и к указанному по меньшей мере одному проводнику, так что при установлении выходного напряжения или тока внутри земли создается множество путей протекания электрического тока между каждым из множества электродов и по меньшей мере одним проводником в диапазоне глубин по меньшей мере одного проводника; и
массив электромагнитных датчиков, размещаемых над интересующей областью поверхности земли с целью измерения одного или более электромагнитных полей либо одного или более компонентов электромагнитного поля, которые могут быть поставлены в соответствие подповерхностным характеристикам земли.
2. Система по п. 1, в которой проводник представляет собой насосно-компрессорную колонну или обсадную трубу скважины.
3. Система по п. 2, в которой проводник представляет собой обсадную трубу, а по меньшей мере часть обсадной трубы ориентирована, по существу, горизонтально.
4. Система по п. 2, в которой проводник представляет собой обсадную трубу, а передатчик электрически соединен с обсадной трубой непрямым образом.
5. Система по п. 2, в которой проводник представляет собой обсадную трубу, а передатчик электрически соединен с обсадной трубой напрямую через кабель, при этом электрическое соединение между передатчиком и обсадной трубой включает путь, проходящий через землю.
6. Система по п. 2, в которой проводник представляет собой обсадную трубу, а электрическое соединение между передатчиком и обсадной трубой находится на глубине менее 100 м.
7. Система по п. 1, в которой каждый из множества электродов размещен на радиальном расстоянии от скважины, которое превышает 0,2 от глубины.
8. Система по п. 1, в которой каждый из множества электродов размещен на радиальном расстоянии от обсадной трубы, составляющем более 1 км.
9. Система по п. 1, в которой множество электродов размещено приблизительно по дуге окружности со скважиной приблизительно в центре этой окружности.
10. Система по п. 1, в которой массив электромагнитных датчиков размещается вблизи множества электродов.
11. Система по п. 10, в которой массив электромагнитных датчиков размещен на расстоянии более 100 м от обсадной трубы.
12. Система по п. 1, в которой проводник размещен в необсаженной скважине.
13. Система по п. 12, в которой проводник представляет собой текучую среду, которая заполняет по меньшей мере часть необсаженной скважины.
14. Способ индуцирования электрического тока на глубине внутри земли, согласно которому:
обеспечивают наличие по меньшей мере одного проводника, находящегося в электрическом контакте с землей и проходящего на указанную глубину, составляющую по меньшей мере 50 м;
размещают множество разнесенных электродов со смещением на радиальное расстояние от указанного по меньшей одного проводника вдоль поверхности земли на расстояние, составляющее по меньшей мере 0,2 от глубины по меньшей мере одного проводника;
размещают массив электромагнитных датчиков над интересующей областью поверхности земли;
электрически подключают передатчик для подачи выходного напряжения или тока требуемой формы как к множеству разнесенных электродов, так и по меньше мере к одному проводнику; и
устанавливают выходное напряжение или ток требуемой формы для создания множества путей протекания электрического тока в земле между каждым из множества электродов и по меньшей мере одним проводником в диапазоне глубин по меньшей мере одного проводника; и
измеряют с помощью датчиков одно или более электромагнитных полей либо один или более компонентов электромагнитного поля, которые могут быть поставлены в соответствие подповерхностным характеристикам земли.
15. Способ по п. 14, в котором дополнительно устанавливают множество проводников, каждый из которых образует отдельный путь протекания электрического тока.
16. Способ по п. 14, в котором дополнительно поддерживают проводник под близким к нулю напряжением относительно потенциала земли.
17. Способ по п. 14, в котором дополнительно создают различные пути протекания тока путем переключения между электродами на различных расстояниях от проводника.
18. Способ по п. 14, в котором размещают по меньшей мере один из указанных по меньшей мере двух электродов на расстоянии более 100 м от проводника.
19. Способ по п. 14, в котором дополнительно индуцируют электрический ток для отображения физического распределения воды, в том числе воды в виде пара, углеводородов, диоксида углерода, пропантов, текучих сред для гидравлического разрыва пласта, солей, рудных залежей, требуемых минералов или веществ, загрязняющих окружающую среду.
20. Способ по п. 14, в котором выходной сигнал передатчика переключают между электродами на различных расстояниях от проводника с целью изменения глубины проводника.
