Контроль продвижения фронта воды при помощи гравиметрических датчиков в стволе скважины

Thomas J. Meyer*, компания Lockheed Martin Corporation

Краткая справка

Сравнение результатов периодических измерений силы тяжести в стволе скважины позволяет контролировать продвижение фронта воды в межскважинном масштабе. Способность воспринимать небольшие динамические переходы в минимальные плотностные контрасты, описываемые стандартными задачами OWC, устанавливает эксплуатационные требования к новой скважинной технологии, разрабатываемой компанией Lockheed Martin (Meyer, 2007).

Естественно встает вопрос, касающийся того компонента силы тяжести, за которым лучше всего наблюдать, поскольку миниатюрное интерферометрическое устройство может быть настроено на измерение одной из нескольких составляющих силы тяжести. Вносится на рассмотрение идея измерения дифференциальной силы тяжести, и данные моделирования сравниваются с соответствующими наклонными и поперечными гравитационными градиентами.

Распределенные плотностные контрасты, связанные с постепенным изменением водонасыщенности из-за однородного охвата пласта, показывают, что при измерении дифференциальной гравитации с точностью до 1 мкГал, различимы 50-метровые приращения продвижения, начиная с расстояния 200 м от контрольных скважин. Аналогичным образом, переход от идеального охвата пласта до разрыва наблюдается на удалении 130 м. Соответствующие сигналы продольного и поперечного градиентов подуровня Eötvös считаются неразличимыми.

Результаты измерения дифференциальной гравитации номинально не имеют отклонения, и невосприимчивы к неоднородностям зоны проникновения, поэтому они могут накапливаться как часть периодических исследований зондами на кабеле, без чрезмерного беспокойства насчет внутрискважинного замещения. Возможно также постоянное погружение в i-поля. Благодаря подавлению синфазного сигнала, данные дифференциальной гравиметрии лишены также многочисленных поправок на окружающую среду, которые обычно необходимы для микрогравитационных измерений на поверхности (Hare, и другие, 1999, и Ferguson, и другие, 2007).

Введение

Наблюдение за движениями пластовых флюидов в межскважинном масштабе обещает получение нужных результатов в случае, если данные будут использованы в эффективной программе управления разработкой пласта. Среди часто приводимых обстоятельств – увеличение добычи, выявление зон поглощения и целиков нефти в пласте, уточнение площади заводнения и движения фронта воды, предотвращение раннего прорыва, а также совершенствование прогнозирующих моделей пласта.

Ограниченная повторяемость поверхностных 4-мерных или периодических сейсмических методов препятствует обнаружению движений флюида в пласте с жесткой структурой в силу незначительных изменений акустических свойств при вытеснении флюида. Кроме того, эти методы могут быть недопустимо затратными для использования их на небольших месторождениях.

Сейчас появляются альтернативные методы, которые могут использоваться для расширения сейсмических исследований, или в некоторых случаях могут быть достаточными сами по себе.

Измерение межскважинного электромагнитного удельного сопротивления имеет целью создать профильное изображение удельного сопротивления между исходной и приемной скважинами (Marsala, и другие, 2007), на основании этого изображения можно делать выводы о распределении флюида. Этот подход связан с трудностями при проведении исследований в эксплуатационных скважинах (Nekut, 1995).

Для пассивного мониторинга микросейсмической активности, вызванной изменениями порового давления пласта из-за операций по добыче и нагнетанию, предлагаются стационарные внутрискважинные сейсмические датчики. Их можно применять для повторных исследований методом непродольного ВСП с использованием поверхностного источника в фиксированном месте для обеспечения повторяемости. Повторные исследования методом ВСП могут отобразить изменение свойств пласта по мере производственной добычи (Dyer, и другие, 1999, и Dasgupta, 2004, 2005).

Идея мониторинга продуктивных пластов посредством скважинной гравиметрии не является новой; однако, имеются концепция и технология измерений, которые используются в появляющихся программах разработки скважинных датчиков (Meyer, 2007, McRae, и другие, 2008, Biegert и Witte, 2001, и Biegert, 2007).

Теория/метод

Последовательное измерение дифференциальной гравитации

Используемый здесь термин «дифференциальная гравитация» относится к разности значений вертикальной гравитации, полученных одновременно в двух точках месторождения. Отдельные точки, составляющие измерительную пару, не должны располагаться по соседству, и также они не должна находиться в одной скважине, чтобы можно было выполнять межскважинные измерения. Антенна из чувствительных элементов циклически выполняет измерения в попарных комбинациях, обеспечивая тем самым моментальные снимки распределения силы тяжести по всему разрабатываемому месторождению. Последовательные меняющиеся изображения позволяют наблюдать за пространственно-временным изменением распределения силы тяжести, откуда делаются выводы о движениях флюида (Niebauer и Herring, 1999).

Вертикальная гравитация обычно обозначается символом Γz (где z – это координата по вертикали, а x и y – это координаты по горизонтали). Первая, или пространственная, разность значений вертикальной гравитации в двух отдельных точках, j и k, образующих измерительную пару, в некоторый начальный момент съемки, скажем, t0, выражается следующим образом:

Вторая, или временнáя, разность между данным значением, и значением, полученным в следующий момент времени, скажем, t1, выражается следующим образом:

Это значение представляет собой результат последовательного измерения дифференциальной гравитации для одной пары точек измерения, j и k.

Последовательное измерение гравитационного градиента

Рассматриваются две составляющие гравитационного градиента. Первый из них, или поперечный градиент, который обозначается символом Γx,z, приближенно показывает, как меняется горизонтальная составляющая силы тяжести с глубиной, на протяжении пласта. Если измерение проводится в вертикальной скважине, величина Γx,z показывает количественное изменение боковой или направленной наружу составляющей с увеличением глубины каротажа. Второй из них, или продольный градиент, обозначается символом Γz,z, и показывает, как изменяется вертикальный градиент с глубиной.

Последовательные значения поперечного и продольного градиентов в точке измерения j обозначаются, соответственно:

и

Концепция интерферометрических измерений

Технология глубинного измерения, разработанная компанией Lockheed Martin, заключается в использовании свободнопадающих гравиметрических устройств, когда прямое наблюдение за совместным свободным падением миниатюрных контрольных грузов осуществляется при помощи оптоволоконной лазерной интерферометрии, обеспечивающей уровень измерений порядка пикометра.

После обращения, представленного выше, разность в расстоянии свободного падения, то есть, дифференциальное свободное падение между двумя контрольными грузами, сброшенными в точках j и k, в момент времени t, выражается следующим образом:

Время t здесь определяется произвольно, в соответствии с началом совместного свободного падения пары контрольных грузов. Длительность свободного падения дается выражением τ-t. Для краткости, дифференциальное свободное падение хорошо аппроксимируется формулой:

где дифференциальное расстояние задается в пикометрах, время – в секундах, а дифференциальная гравитация – в микроГалах.

Широкий базис обеспечивается путем использования чувствительных элементов в отдельных зондах, удаленных друг от друга на большое расстояние, например, точки j и k могут находиться в отдельных скважинах, отстоящих друг от друга на несколько километров, или же эталонный элемент может находиться в верхней части скважины, тогда как передвижной элемент может спускаться в скважину. Узкий базис обеспечивается путем использования чувствительных элементов, находящихся в одном зонде. Это позволяет эффективно измерять продольный и поперечный градиент, в зависимости от искривления скважины (Рисунок 1).

Примеры

Идеальная трехмерная однородная модель вытеснения флюида показывает, что сигналы дифференциальной гравитации в глубине скважины превышают 1 мкГал при 50-метровом приращении продвижения фронта, начиная с расстояния 200 м от обследуемой скважины (Рисунок 2). Другими словами, если в начальный момент времени водонефтяной контакт находился на удалении 250 м от обследуемой скважины, его можно будет наблюдать в последующей съемке после того, как его удаление от этой скважины составит 200 м. Значения дифференциальной гравитации с широким базисом получаются при установке эталонного элемента в верхней части скважины, и при опускании передвижного элемента в вертикальной скважине с приращениями величиной 10 метров.

Соответствующие сигналы продольного и поперечного гравитационных градиентов приблизительно достигают уровня 0,1 Eötvös. Использование общего зонда с узким базисом, внутри которого на расстоянии 1 м друг от друга находятся два чувствительных элемента, требует измерения дифференциальной гравитации с точностью не хуже 0,01 мкГал (1 мкГал/м = 10 E) для того, чтобы заметить такое движение фронта. В настоящее время это представляется неосуществимым.

Достигнув удаления 150 м, часть фронта разбивается в зоне с низкой проницаемостью на дне пласта, тогда как верхняя, бóльшая часть фронта по-прежнему движется вперед, но в уменьшенном количестве для сохранения материального баланса с основным процессом, который считается еще одним равномерным продвижением на 50 м (Рисунок 3). Наблюдается сигнал дифференциальной гравитации величиной 2 мкГал, что свидетельствует о том, что охват пласта больше не является равномерным.

Ухудшение качества измерений из-за погрешности при установке зонда во время повторных исследований в режиме каротажа определяется путем учета изменения массы зоны проникновения (Рисунок 4). Результат измерения дифференциальной гравитации обычно невосприимчив к эффектам в ближнем поле.

Выводы

Метод последовательного измерения дифференциальной гравитации в скважине позволяет проводить исследования на большой глубине, и должен найти применение для оценки перемещений водонефтяного контакта (OWC). Этот метод может использоваться как автономно, так и в сочетании с другими появляющимися технологиями мониторинга.

             a) Поперечный                                      b) Продольный                      c)Дифференциальный 

               градиент                                                  градиент                                         градиент

Рисунок 1: Возможные конфигурации измерений. Два чувствительных элемента, расположенные в одном зонде, и разнесенные на расстояние порядка 1 метр, обеспечивают узкобазисное измерение следующих параметров a) поперечный градиент Γx,z на горизонтальных участках скважины, и b) продольный градиент Γz,z на вертикальных участках скважины. Широкобазисное измерение дифференциальной гравитации ΔΓz (c) осуществляется путем размещения чувствительных элементов в отдельных зондах, далеко отстоящих друг от друга, например, зонды могут находиться в отдельных скважинах, в нескольких километрах друг от друга, или могут находиться в одной скважине, но на большом расстоянии друг от друга.

Рисунок 2: Мониторинг однородного заводнения с приращениями продвижения 50 метров. Пласт имеет толщину 30 м, и ширину 1000 м. Временные изменения уровней сигналов a) поперечного градиента и b) продольного градиента считаются неразличимыми. Изменение в окне c) Сигнал дифференциальной гравитации наблюдается при продвижении фронта заводнения от отметки 250 м до отметки 200 м (удаление от исследуемой скважины). d) Распределенный плотностной контраст определяется по плотности воды ρw = 1,03 г/см3, плотности нефти ρo = 0,85 г/см3, пористости φ = 0,2, насыщенности связанной водой Swc = 0,12 перед фронтом, переходной линейности Sw от 0,29 сразу позади OWC до Sw = 0,52 на расстоянии 20 м позади фронта, и переходной линейности снова до Sw = 0,56 в зоне, охваченной вытеснением.

Рисунок 3: Разрыв, наблюдаемый с помощью мониторинга временных изменений гравиметрических сигналов в скважине. Модель соответствует Рисунку 2, но на удалении 150 м последующее равномерное продвижение фронта на 50 м сменяется 120-метровым продвижением нижней зоны прорыва толщиной 6 м, и 30-метровым продвижением остальной верхней зоны (с тем, чтобы обеспечить такой же прорыв воды, что и основной процесс с приращением 50 метров). Только переход к дифференциальной гравитации поддается наблюдению (c).

Рисунок 4: Ухудшение качества измерений из-за неравномерностей в зоне проникновения. Эффект неточной установки гравиметрических датчиков при повторной съемке в режиме каротажа проверяется путем моделирования неравномерностей в зоне проникновения (d). При проведении последующей съемки повторно погруженный скважинный прибор оказался на 1 см ниже. Окна a) и b) – измерение поперечного и продольного градиентов демонстрирует чувствительность к аномалиям в ближнем поле. Окно c) – Результаты измерения дифференциальной гравитации фактически невосприимчивы к влиянию зоны проникновения, тем самым, смягчая требования к точному повторному позиционированию.

Изданные справочные материалы

Примечание: Представленный ниже список справочных материалов представляет отредактированную версию списка справочных материалов, представленного автором. Списки справочных материалов для расширенных аннотаций технической программы конференции SEG 2008 года был отредактирован таким образом, чтобы справочные материалы, предусматриваемые интерактивными метаданными для каждого документа, достигали высокой степени взаимосвязи с цитируемыми источниками, которые появляются в Интернете.

Справочные материалы

Biegert, E., 2007, From black magic to swarms: hydrocarbon exploration using nonseismic technologies: Presented at EGM International Workshop: Innovation in EM, Gravity, and Magnetic Methods: A New Perspective for Exploration (От черной магии к системе: разведка на нефть и газ с использованием несейсмических технологий: Представлено на международной конференции EGM: Нововведения в методы электромагнитных, гравиметрических, и магнитных исследований: Новая перспектива для разведки).

Biegert, E., and S. Witte, 2001, 4D gravity monitoring using gravity and gravity gradients: Presented at 63rd Annual International Conference and Exhibition (4-мерный гравиметрический мониторинг с использованием гравитации и гравитационных градиентов: Представлено на 63-й ежегодной международной конференции и выставке), EAGE.

Dasgupta, S., 2004, Reservoir monitoring with permanent borehole seismic sensors: Ghawar Field Arab-D reservoir: Presented at the 74th Annual International Meeting (Мониторинг пласта при помощи стационарных скважинных сейсмических датчиков: Месторождение Ghawar, пласт Arab-D: Представлено на 74-й ежегодной международной конференции), SEG.

Dasgupta, S., 2005, Arab-D reservoir monitoring in Ghawar field of Saudi Arabia: Alternatives to 4D seismic: Presented at the 75th Annual International Meeting (Мониторинг пласта Arab-D на месторождении Ghawar в Саудовской Аравии: Альтернативы 4-мерной сейсморазведке: Представлено на 75-й ежегодной международной конференции), SEG.

Dyer, B. et al., 1999, Microseismic survey of a North Sea reservoir (Микросейсмические исследования пласта в Северном море): World Oil, 3, 74–77. Ferguson, J. et al., 2007, The 4D microgravity method for waterflood surveillance II – Gravity measurements for the Prudhoe Bay reservoir, Alaska (Метод 4-мерной микрогравиметрии для наблюдения за заводнением II – Гравиметрические измерения для резервуара Prudhoe Bay, Аляска): Geophysics, 72, I33–I43.

Hare, J. et al., 1999, The 4D microgravity method for waterflood surveillance: A model study for the Prudhoe Bay reservoir, Alaska (Метод 4-мерной микрогравиметрии для наблюдения за заводнением: исследование модели для резервуара Prudhoe Bay, Аляска): Geophysics, 64, 78–87.

Marsala, A. et al., 2007, Crosswell electromagnetic tomography in Haradh field: Modeling to measurements: Presented at SPE Annual Technical Conference and Exhibition. (Межскважинная электромагнитная томография на месторождении Haradh: От моделирования до измерений: Представлено на международной технической конференции и выставке SPE).

McRae, W. et. al., 2008, Borehole gravity gradiometry for oil exploration and its efficient extraction (Скважинная гравитационная градиентометрия для разведки нефти и ее эффективного извлечения): Geophysics 4D Gravity Special Section, submitted.

Meyer, T., 2007, Lockheed Martin ventures development of unique borehole gravity sensor: Presented at SEG 4D Gravity Workshop (Разработка компанией Lockheed Martin уникального скважинного гравиметрического датчика: Представлено на конференции SEG по 4-мерной гравиметрии).

Nekut, A., 1995, Crosswell electromagnetic tomography in steel-cased wells (Межскважинная электромагнитная томография в скважинах со стальными обсадными трубами): Geophysics, 60, 912–920.

Niebauer, T., and A. Herring, 1999, Differential interferometric ballistic gravity measurement apparatus and method: U. S. Patent 5 892 151 (Аппаратура и метод дифференциальной интерферометрической баллистической гравиметрии: патент США 5 892 151).