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使用无源的源的电容式电磁地层监视

阅读：987发布：2020-05-08

专利汇可以提供使用无源的源的电容式电磁地层监视专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且通过与含烃地层中邻近井眼定位的电磁传感器来测量由太阳风与邻近井眼的地球磁层相互作用而产生的自然发生的电磁信号。在一时段内，通过定位井眼内的井眼传感器测量在井眼内生成的电磁信号。电磁信号在该时段内由于含烃地层内流体分布的变化而改变。通过一个或多个处理器来确定在该时段内在井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。部分地基于电磁改变来生成含烃地层的计算模型。，下面是使用无源的源的电容式电磁地层监视专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种监测含烃地层的方法，所述方法包括：
通过与所述含烃地层中的井眼邻近定位的电磁传感器测量由太阳风与邻近所述井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号；
在一时段内，通过定位在所述井眼内的井眼传感器测量在所述井眼内生成的电磁信号，其中，所述电磁信号在所述时段内由于所述含烃地层内流体分布的变化而改变；
通过一个或多个处理器确定在所述时段内在所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的电磁改变；以及
部分地基于所述电磁改变来生成所述含烃地层的计算模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁信号是在所述井眼内自然生成并测量的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述井眼传感器包括三轴电磁传感器，所述三轴电磁传感器被配置为测量所述井眼内的磁信号和电场信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁传感器或所述井眼传感器包括电容式电传感器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述电磁信号的时段为数周或更长时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述时段内在一频率范围内测量所述电磁信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定在所述时段内所述电磁信号的电磁改变包括：
从所述频率范围中确定从中测量到所述时段内多数电磁改变的频率子范围以及所述频率子范围内的电磁改变的幅度；
基于所述频率子范围并基于所述含烃地层的电阻率，数值地确定在所述时段内所述无源的自然发生的电磁信号改变的衰减；以及
确定由所述自然发生的电磁信号引起的电场和磁场变化的强度，以确定所述井眼内对应的场变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定在所述时段内所述电磁信号的电磁改变包括：
针对所述时段内的多个时刻：
识别在所述多个时刻的每个时刻测量的电磁信号值；以及
识别在所述多个时刻的每个对应时刻测量的无源的自然发生的电磁信号；以及确定所述电磁信号值与在所述多个时刻的每个对应时刻测量的无源的自然发生的电磁信号的比率。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过堆叠来处理由太阳风与邻近所述井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号，以减少噪声的影响；以及
通过堆叠来处理所述井眼内生成的电磁信号，以减少噪声的影响。
10.一种含烃地层监测系统，包括：
电磁传感器，与形成在所述含烃地层中的井眼邻近定位，所述电磁传感器被配置为测量由太阳风与邻近所述井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号；
井眼传感器，定位在所述井眼内，所述井眼传感器被配置为在一时段内测量在所述井眼内生成的电磁信号，其中，所述电磁信号在所述时段内由于所述含烃地层内流体分布的变化而改变；以及
 计算机系统，包括：
一个或多个处理器；以及
计算机可读介质，存储能够由所述一个或多个处理器执行以执行操作的指令，所述操作包括：
确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的电磁改变；以及
部分地基于所述电磁改变来生成所述含烃地层的计算模型。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电磁传感器包括：
第一电容式电场传感器，包括：
第一多个板，被配置为检测邻近所述井眼的波动的无源的自然发生的电信号；以及第一电路，连接到所述第一多个板，其中，所述波动的无源的自然发生的电信号在所述第一电路中感应出第一位移电流。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述井眼传感器包括：
第二电容式电场传感器，包括：
第二多个板，被配置为从所述井眼内接收波动的电信号；以及
第二电路，连接到所述第二多个板，其中，所述波动的电信号在所述第二电路中感应出第二位移电流。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，基于所述第一位移电流和所述第二位移电流，确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述井眼传感器包括三轴电磁传感器，所述三轴电磁传感器被配置为测量所述井眼内的磁信号和电信号。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的改变包括：
确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号与所述无源的自然发生的电磁信号的比率；以及
基于所确定的比率来确定所述井眼所形成于的含烃地层的阻抗。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，测量所述电磁信号的时段为数周或更长时间。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电磁传感器和所述井眼传感器中的每个传感器被配置为在所述时段内在一频率范围内测量电磁信号。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，确定在所述时段内所述电磁信号的电磁改变包括：
从所述频率范围中确定从中测量到所述时段内多数电磁改变的频率子范围以及所述频率子范围内的电磁改变的幅度；
基于所述频率子范围并基于所述含烃地层的电阻率，数值地确定在所述时段内所述无源的自然发生的电磁信号改变的趋肤深度；以及
确定由所述自然发生的电磁信号引起的电场和磁场变化的强度，以确定所述井眼内对应的场变化。
19.一种含烃地层监测系统，包括：
电磁传感器，与形成在含烃地层中的井眼邻近定位，所述电磁传感器被配置为测量由太阳风与邻近所述井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号，所述电磁传感器包括：
第一电容式电场传感器，包括：
第一多个板，被配置为检测邻近所述井眼的波动的无源的自然发生的电信号，以及第一电路，连接到所述第一多个板，其中，所述波动的无源的自然发生的电信号在所述第一电路中感应出第一位移电流；
井眼传感器，定位在所述井眼内，所述井眼传感器被配置为在一时段内测量在所述井眼内生成的电磁信号，其中，所述电磁信号在所述时段内由于所述含烃地层内流体分布的变化而改变，所述井眼传感器包括：
第二电容式电场传感器，包括：
第二多个板，被配置为从所述井眼内接收波动的电信号；以及
第二电路，连接到所述第二多个板，其中，所述波动的电信号在所述第二电路中感应出第二位移电流；以及
计算机系统，包括：
一个或多个处理器；以及
计算机可读介质，存储能够由所述一个或多个处理器执行以执行操作的指令，所述操作包括：
确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的电磁改变；以及
部分地基于所述电磁改变来生成所述含烃地层的计算模型。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，基于所述第一位移电流和所述第二位移电流，确定在所述时段内所述井眼内生成的电磁信号和所述无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。

说明书全文

使用无源的源的电容式电磁地层监视

[0001] 优先权声明

[0002] 本申请要求于2017年5月11日递交的名称为“使用无源的源的电容式电磁地层监视”的美国申请No.62/504,962的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本公开涉及监测可以从其生产烃的含烃地层。

背景技术

[0004] 电磁信号对流体特别是对流体的特定成分敏感。例如，有时用于生产烃的盐水具有很高的导电性，并且相对于原位油产生一个或多个数量级的电阻率差异。当盐水驱替含烃地层中的油时，可以通过测量盐水驱替油之前和之后所进行的电磁信号发生的相对变化来跟踪这种改变。由于地层中的条件随时间而改变，因此长时段内的绝对可重复测量可能是个问题。随时间的重复测量还受到部署进行此类测量的仪器的耐用性的影响。发明内容

[0005] 本说明书描述了与使用无源的源的电容式电磁地层监视有关的技术。

[0006] 本公开中描述的主题的示例实施方式是一种具有以下特征的监测含烃地层的方法。自然发生的电磁信号是由太阳风与邻近井眼的地球磁层相互作用而产生的，该电磁信号由位于含烃地层中靠近井眼的电磁传感器测量。通过位于井眼内的井眼传感器测量在一时段内在井眼内生成的电磁信号。电磁信号在该时段内由于含烃地层内流体分布的变化而改变。通过一个或多个处理器来确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。部分地基于电磁改变生成含烃地层的计算模型。

[0007] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。电磁信号在井眼内自然地生成。

[0008] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。井眼传感器包括三轴电磁传感器，该三轴电磁传感器被配置为测量井眼内的磁信号和电场信号。

[0009] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。电磁传感器或井眼传感器包括电容式电场传感器。

[0010] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。测量电磁信号的时段约为数周或更长时间。

[0011] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。在该时段内的一频率范围内测量电磁信号。

[0012] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。确定在该时段内电磁信号的电磁改变包括：从频率范围中确定从中测量到该时段内多数电磁改变的频率子范围以及频率子范围内的电磁改变的幅度。基于频率的子范围并基于含烃地层的电阻率，数值地确定在该时段内无源的自然发生的电磁信号改变的趋肤深度。确定由自然发生的电磁信号引起的电场和磁场变化的强度，以便确定井眼内对应的场变化。

[0013] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。确定在该时段内电磁信号的电磁改变包括：识别在多个时刻的每个时刻测量的电磁信号值。识别在多个时刻的每个对应时刻测量的无源的自然发生的电磁信号。确定电磁信号值与在多个时刻的每个对应时刻测量的无源的自然发生的电磁信号的比率。

[0014] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例实施方式的方面包括以下内容。通过堆叠来处理太阳风与邻近井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号，以减少噪声的影响。通过堆叠来处理井眼内生成的电磁信号，以减少噪声的影响。

[0015] 本公开中描述的主题的示例实施方式是具有以下特征的含烃地层监测系统。电磁传感器与形成在含烃地层中的井眼邻近定位。电磁传感器能够测量由太阳风与邻近井眼的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号。井眼传感器位于井眼内。井眼传感器能够在一时段内测量在井眼内生成的电磁信号。电磁信号在该时段内由于含烃地层内流体分布的变化而改变。计算机系统包括一个或多个处理器、以及存储能够由该一个或多个处理器执行以执行操作的指令的计算机可读介质。确定在一时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。部分地基于电磁改变生成含烃地层的计算模型。

[0016] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。电磁传感器包括第一电容式电场传感器。第一电容式电场传感器包括第一组板，该第一组板被配置为检测邻近井眼的波动的无源的自然发生的电场。第一电路连接到第一组板。波动的无源的自然发生的电场在第一电路中感应出第一位移电流。

[0017] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。井眼传感器包括第二电容式电场传感器。第二电容式电场传感器包括第二组板，该第二组板被配置为从井眼内接收波动的电场。第二电路连接到第二组板。波动的电场在第二电路中感应出第二位移电流。

[0018] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。井眼传感器包括三轴电磁传感器，该三轴电磁传感器被配置为测量井眼内的磁信号和电场信号。

[0019] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。基于第一位移电流和第二位移电流，确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。

[0020] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。基于所确定的比率来确定井眼所形成于的含烃地层的阻抗。

[0021] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。测量电磁信号的时段约为数周或更长时间。

[0022] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。电磁传感器和井眼传感器中的每个传感器一时段内一频率范围内测量电磁信号。

[0023] 可以单独地或组合地与示例系统组合的示例系统的方面包括以下内容。确定在该时段内电磁信号的电磁改变。并从频率范围中确定从中测量到该时段内多数电磁改变的频率子范围以及该频率子范围内的电磁改变的幅度。基于频率的子范围并基于含烃地层的电阻率，数值地确定在该时段内无源的自然发生的电磁信号改变的趋肤深度。使用由自然发生的电磁信号引起的电场和磁场变化的强度以确定井眼内对应的场变化。

[0024] 本公开中描述的主题的示例实施方式是具有以下特征的含烃地层监测系统。电磁传感器与形成在含烃地层中的井眼邻近定位。电磁传感器被配置为测量由太阳风与井眼附近的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号。电磁传感器包括第一电容式电场传感器，第一电容式电场传感器具有被配置为检测邻近井眼的波动的无源的自然发生的电信号的第一组板。第一电路连接到第一组板。波动的无源的自然发生的电信号在第一电路中感应出第一位移电流。井眼传感器位于井眼内。井眼传感器被配置为在一时段内测量在井眼内生成的电磁信号。电磁信号在该时段内由于含烃地层内流体分布的变化而改变。井眼传感器包括第二电容式电场传感器，该第二电容式电场传感器具有被配置为从井眼内接收波动的电信号的第二组板。第二电路连接到第二组板。波动的电信号在第二电路中感应出第二位移电流。计算机系统包括一个或多个处理器、以及存储能够由该一个或多个处理器执行以执行操作的指令的计算机可读介质。操作包括：确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变；以及部分地基于电磁改变来生成含烃地层的计算模型。

[0025] 可以单独地或组合地与示例实施方式组合的示例系统的方面包括以下内容。基于第一位移电流和第二位移电流，确定在该时段内井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号的电磁改变。

[0026] 在附图和描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，所述主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

[0027] 图1是其中部署有电磁监测系统的含烃地层的示意图。

[0028] 图2A至图2C是示出设置在含烃地层中的传感器的示例的操作原理的示意图。

[0029] 图3示出了说明电磁地层监测的数值可行性研究的曲线图。

[0030] 图4是示出在位于数值模拟地层内的接收器的数值模拟处观测到的响应的曲线图。

[0031] 图5是不同频率下的趋肤深度计算的曲线图。

[0032] 图6是来自地层中的场观测的电场和磁场的曲线图。

[0033] 图7是示出在模拟井眼环境中的投影灵敏度的表。

[0034] 图8是比较图7的表中所示的传感器灵敏度与图6的曲线图中观测到的电场的曲线图。

[0035] 图9A和图9B是示出用于模拟水驱模型的电场和磁场的曲线图。

[0036] 图10是比较地表磁场和井眼磁场与磁传感器的灵敏度的曲线图。

[0037] 图11A是增强的弱电磁信号的示例处理的流程图。

[0038] 图11B示出了测量的电磁信号的时间序列。

[0039] 图11C示出了通过傅立叶变换获得的电磁信号的频谱估计的曲线图。

[0040] 图11D示出了通过处理频谱估计获得的响应函数的曲线图。

[0041] 图12A是具有电磁传感器的井下工具的截面图。

[0042] 图12B是管道包裹的导体的截面图。

[0043] 各附图中相似的附图标号和标记指示相似的要素。

具体实施方式

[0044] 本公开描述了使用电场测量对含烃地层的电磁监测，以监测地层中流体的灵敏度。通过安装(例如，永久性安装)在地层中且与在地层中循环的流体(例如，硫化氢(H2S))隔离的井眼电场传感器的电容耦合来实现电场测量。电场传感器在地层中的这种部署减少或消除了维护传感器的需求。

[0045] 本公开还公开了利用电磁技术监测含烃地层，该电磁技术使用通过太阳风与地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号。通过该相互作用而生成的磁场脉冲行进到地球地表，并通过电磁感应生成电流。在一些实施方式中，在较长时段内在地层处连续监测这样的电磁信号，以检测通过烃回收操作——例如，水驱、蒸汽或二氧化碳注入或其他一次或二次回收技术(或两者)——而生成的储层中流体分布的变化。如稍后所述，要监测的参数是电磁响应函数的变化作为至少两个电磁场组件之间所计算的时间的函数，该至少两个电磁场组件位于单个观测点处或在两个独立观测点处。响应函数可以是例如通过将电场除以磁场而确定的电磁阻抗(Z(t))，或仅仅是电-电响应函数。用于导出这些响应函数的磁场或电场传感器可以位于同一井眼中、另一井眼中或在地表上。

[0046] 在一些实施方式中，井眼(例如，水平井眼或竖直井眼)可以配备有提供三轴电磁测量(电场和磁场)的传感器。可以随时间记录来自此类井眼的连续自然电磁信号。以这种方式，可以获得通过电磁阻抗估计来连续地监测储层中的流体改变的便宜的实时系统。这些操作是无源的，监听在空间中生成以及根据分析中的储层流体而扭曲的电磁场。实现这里所描述的技术可以比运行有源的源电磁勘测便宜。信号也是每天24小时可用。实现这里所描述的技术将提高可靠性和稳定性，因为可以在监测处理期间记录覆盖广泛频率范围的大量(例如，数十亿)阻抗估计。

[0047] 可以实现本说明书中描述的技术，以用于与石油、天然气和水勘探、监测和从地层中回收(一次、二次或增强)烃有关的多种应用中的一种或多种。这些应用可以包括井眼无源电磁测井，其中使用三轴井眼工具作为可回收的设备来收集低频无源电磁数据。这些应用可以包括井眼无源电磁勘探，其中可以使用井眼无源电磁设备来勘探井眼的、井眼之间的、井眼底部以下的、井眼中传感器位置之间的、它们的任何组合和地表周围的空间。这些应用可以包括井眼无源电磁监测，其中可以使用井眼无源电磁设备来延时地或以连续获取操作模式收集数据。在此类应用中，可以确定信号的延时或连续分析、信号随时间的改变以及由于流体饱和度改变而导致的时变阻抗。

[0048] 图1是其中部署有电磁监测系统的含烃地层100的示意图。在示例地层100中，已经形成了多个井眼(例如，井眼104a、104b、104c和104d)。第一井眼传感器106a位于第一组井眼104a、104b和104c内。第二井眼传感器106b位于井眼104d内。在一些实施方式中，第一井眼传感器106a和第二井眼传感器104a可以包括一串的多个传感器。如稍后所述，每个井眼传感器可以测量在一时段内传播通过地层100的自然发生的电磁信号。由于含烃地层中流体分布的变化，通过获取观测到的电磁信号的比率而计算出的响应(传递)函数随该时段而改变。电磁传感器108位于井眼附近(例如，在地表处或在地层100内)。电磁传感器可以测量由太阳风与井眼附近的地球磁层相互作用而生成的无源的自然发生的电磁信号。通过传感器测量的信号被发送给计算机系统102，计算机系统102确定井眼内生成的电磁信号和无源的自然发生的电磁信号在一时段内的电磁改变，以及至少部分地基于电磁改变来生成含烃地层的计算模型。

[0049] 图2A至图2C是示出设置在含烃地层中的传感器的示例的操作原理的示意图。例如，传感器200可以用作之前参考图1描述的任何传感器。在一些实施方式中，传感器200可以是非接触电容式电场传感器。例如，传感器200是低频三轴电容式电场传感器，能够收集和报告沿三个维度的电场、沿三个维度的磁场以及沿三个维度的电场和磁场两者随时间的改变。传感器200利用可以与电容器的功能相比较的电容耦合机制，其示意图在图2A中示出。电容式传感器的板不必与井眼壁电流接触。板可以接收波动的(例如，交变的)电场，该电场在电极板上产生相对于井眼壁相反的电荷，如在图2A和图2B中示意性示出。电极板和井眼由介电材料(例如，石油或其他介电材料)间隔开。波动的电场在电路中感应出位移电流(在图2C中示意性示出)，可以监测该位移电流以对电场进行建模。以这种方式，电容式电场传感器可以监测由自然磁源感应出的电场的变化，该自然磁源是由太阳风与地球磁层相互作用而传播的。

[0050] 可以通过增加传感器的板之间的距离来增加电容式电场传感器对与导电的地球和储层流体相互作用的无源的自然发生的电磁场的灵敏度。例如，板之间的距离可以变化几米以调节灵敏度。

[0051] 传感器200可以收集频域和时域电磁场数据。传感器200的功能不取决于传感器200周围的化学环境或本地(local)井眼温度或湿度。传感器200能够在没有电解质的干燥条件下操作，例如在传统的多孔罐式电极中使用的电解质的情况下进行操作，因此传感器
200可以永久地部署在地表或储层水平，而无需进行大量的日常维护。传感器200可以与地层100接触，或与井眼的内表面完全隔离。可以在含烃地层100中实现诸如传感器200之类的传感器，因为这样的传感器适合于在使用寿命长且维护最少(或无维护)的情况下永久地部署在地层中。

[0052] 在一些实施方式中，位于地层100中的传感器可以在跨越数天、数周、数月或更长时间的时段内测量电磁信号。传感器连续测量来自自然源场的电磁信号，这些自然源场包含宽频内容。可以根据感兴趣的频带来调整记录的采样率。结合增加电容式传感器的板之间的距离，高测量(或记录)次数(即数天、数周、数月或更长时间的测量次数)导致传感器灵敏度提高，这进而允许传感器测量井眼内以及地层100的地表处或地表附近的无源的自然发生的电磁信号。

[0053] 测量井眼中单个位置处的电场变化不足以使用无源测量来推断地层100的参数变化，因为无法得知源的幅度和相位。因此，计算机系统102可以对所测量的电磁信号实施后置处理技术，以确定地层100中的流体变化。在一些实施方式中，计算机系统100确定场值的比率，即频域中的电分量(E)和耦合的磁分量(H或B)的比率。电分量和耦合的磁分量定义了复阻抗张量元素Z。阻抗是包括地层100中的流体在内的岩石的固有特性，并且不取决于场信号的相对强度。为了确定阻抗张量Z，传感器可以同时测量磁场和电场。在一些实施方式中，可以直接在井眼中使用小型磁传感器(例如，磁通门传感器)来进行这种同时的测量。如果井眼的尺寸妨碍对这种传感器进行直接部署，则可以使用磁传感器来测量地层100的地表上的参考磁场和井眼内的电场。在一些实施方式中，计算机系统102可以单独使用电场测量来确定由单独观测点处的传感器测量的电场之间的比率或传递函数。通常，电场或磁场测量与后置处理相结合以确定比率，消除了对电磁信号的未知自然源的特性的依赖，并提供了观测地层特性变化的参数(例如，流体改变)。

[0054] 无源的自然发生的电磁信号跨越几十个频率(或周期)。传感器在地层水平处测量电磁响应的能力取决于电磁信号的衰减，该电磁信号的衰减由被称为趋肤深度的现象以及对最显著频率范围——在该频率范围内地层流体变化产生可测量的响应——的评估而导致。趋肤深度被定义为磁场幅度的衰减率，其为上覆电阻率和电磁信号的频率的函数。例如，如果观测到的无源的自然发生的信号仅包含低频，那么这样的频率就不会对小规模的地层变化敏感。如前所述，增加电容式传感器中的板距离并增加测量电磁信号的持续时间可以增加传感器的灵敏度。

[0055] 对于某些示例，为了评估对储层流体进行无源的电磁监测的可行性，执行了数值建模以估计由实际流体置换所产生的无源的电磁信号观测到的改变(例如，电阻率改变)。建模中使用的电阻率改变是使用准确的储层参数、实际盐水盐度和饱和度水平导出的。可行性建模研究包括：确定将在储层中观测到的电磁响应的频率范围和大小。另外，基于已知的电阻率结构和估计的响应频率范围来确定自然磁场变化的对应趋肤深度。使用实验场测量来导出自然电场和磁场变化的强度。通过正演建模确定的衰减被用来估计在储层水平处将要观测到的场。将剩余的电场和磁场强度与可从地表和井眼磁力计以及电场测量设备获得的灵敏度进行比较。

[0056] 图3示出了说明电磁地层监测的数值可行性研究的曲线图。在图3所示的曲线图200a和200b中，X轴以欧姆.米(0hm.m)为单位示出了上覆电阻率，Y轴示出了深度(即，在地表下方的距离)。曲线图200a参考背景模型，曲线图200b参考水驱模型。该数值模型包括部署在深度为2000米处的地层100的数值模拟中的多个完全电磁接收器(电场和磁场)。地层电阻率简化为一半空间，平均电阻率由测井曲线导出。针对三个接收器绘制了视电阻率方面的大地电磁无源的电磁(MT EM)曲线。视电阻率(顶部曲线)和相位(底部曲线)都是平坦的，对于均匀的地质没有变化。图3的底部部分示出了模型中引入的水饱和地层的斑块(水饱和度，Sw＝50％)和对应的响应曲线，响应曲线示出了对由水饱和度所导致的电阻率变化的灵敏度。

[0057] 图4是示出在位于数值模拟地层内的接收器的数值模拟处观测到的响应的曲线图400。在图4所示的曲线图400中，X轴表示周期或1/频率，Y轴表示视电阻率(0hm.m)和相位(度)。模型中的电阻率改变等效于流体饱和度从13％Sw到50％Sw的改变。电磁场中的最大视电阻率响应在1赫兹(Hz)到100Hz的范围内。通过部署诸如之前描述的且覆盖0.1Hz和
1000Hz之间的频率范围的传感器，可以使用无源的自然发生的电磁信号来监测地层100。

[0058] 如前所述，趋肤深度是磁场幅度的衰减率，其为上覆电阻率和电磁信号的频率的函数。图5是不同频率下趋肤深度计算的曲线图500。在图5所示的曲线图500中，X轴表示以Ω·m为单位的上覆电阻率，Y轴示出了距地层地表的深度。地层100具有500hm.m至100 0hm.m的平均上覆电阻率。基于这些电阻率，频率在1Hz和10Hz之间的趋肤深度在典型地层的深度范围内(例如，在1500m和4000m之间)。这些深度处的无源的自然发生的电磁信号应该以足够的能量合理地到达地层100的地表，以检测与流体置换有关的电阻抗变化。通常，如果目标位于特定频率和电阻率结构的一个趋肤深度之内，则通常认为无源电磁法的适用性是肯定的。

[0059] 计算机系统102可以确定在地层中观测到的电场和磁场与在地球地表处观测到的场之间的响应函数。图6是来自地层中的场观测的电场和磁场的曲线图600。在图6中所示的曲线图600中，X轴表示周期(以对数刻度示出)，Y轴表示电场(以每米伏特(V/m)为单位)或磁场(以每平方根频率特斯拉(T/sqrt(Hz)为单位)。计算机系统102可以使用实验地表电场和磁场测量来确定自然场变化的强度。图6中所示的场使用由计算机系统102针对滨水区数值模拟300a和在沙特阿拉伯石油储层中在地球地表实验观测到的场计算的响应函数来导出。因此，图6的曲线图600所示的场是将在图3的地层300a的井眼中观测到的场幅度的预测。

[0060] 如果可以在井眼环境中以适当的灵敏度可靠地测量电场和磁场，则可以实施之前描述的一些实施方式中描述的技术。备选地或附加地，可以将磁场传感器定位在地层的地表上或将其完全去除，从而形成监测系统，该监测系统主要依赖于通过之前描述的传感器测量的电场。

[0061] 在美国专利N0.8,816,689中已经经讨论了在井眼条件下电场的可靠测量，该专利的全部内容通过引用并入本文。在本说明书中描述的电容式电场传感器不直接接触井眼壁来测量电场。在一些实施方式中，传感器的电容耦合设计允许传感器完全隔离地定位，即不与井眼壁的任何部分接触。在一些实施方式中，电容式电场传感器可以定位成在套管的后面、在套管上、在采油管上或与地层直接接触。此外，电容式电场传感器即使浸入在井眼流体中也可以可靠地操作，而与流体化学性质无关，即与流体是水、石油、盐水、气体还是它们的组合无关。

[0062] 图7是基于实验室读数示出在模拟井眼环境中的投影灵敏度的表700。表700示出了从地层中回收的两种流体——石油与盐水或泥浆的组合——中最小的可检测电场(以每米纳伏(nV/m)为单位)。对于每个可检测的电场，表700以Hz为单位示出信号频率，以秒为单位示出总测量时间。模拟环境的操作温度约为125摄氏度(℃)。可以在场中再现模拟环境。即，导出的灵敏度用于观测可以在地层100的井眼中实现的分离。因为自然电场和磁场主要具有水平分量，所以可以通过以下方式增加电场信号：通过沿一个取向增加水平井眼中的偶极子长度，并通过测量不同平行多分支井上的正交分量。

[0063] 图8是比较图7的表700中所示的传感器灵敏度与图6的曲线图600中观测到的电场的曲线图800。可以使用上覆电阻率为60 0hm.m的模拟水驱模型来计算衰减的井眼电场。如曲线图800所示，观测到的电场将等于或高于电容式传感器的灵敏度。在延长观测期间，可以选择具有较高信号幅度并因此具有较高信噪比(SNR)的段进行处理。

[0064] 为了获得完整的电磁测量结果和阻抗估计，可以将磁传感器与电场传感器耦合。为此，可以在井下传感器套件中包括三轴配置的微型磁线圈或三分量磁通门磁力计。备选地，可以将磁传感器部署在地表，从而允许将地表处的更大和更高灵敏度的磁传感器与部署在井眼内或地层中的电容式电传感器组合。然而，在这种实施方式中，尽管提供了简化的井下仪器套件，但对储层流体改变的灵敏度仍可能降低。

[0065] 图9A是示出用于图9B中所示的模拟水驱模型的电场和磁场的曲线图。图9A中的曲线图900a示出了在模拟水驱的地层中在10Hz的响应频率处观测到的电场和磁场900b。在曲线图900a中，X轴表示储层中水平井中传感器(A-1至A-69)的位置，Y轴表示百分比异常。将磁观测点定位在地表会导致灵敏度的损失。然而，电场具有较高的空间灵敏度，并且包含50％异常。可以将磁观测点的正确位置添加到建模和反演过程中，以防止因电观测点和磁观测点的分离而引入错误。

[0066] 图10是比较地表磁场和井眼磁场与磁传感器的灵敏度的曲线图1000。在曲线图1000中，X轴示出了周期(以对数刻度)，Y轴以T/sqrt(Hz)为单位示出了磁场。曲线图1000中引用的磁传感器包括磁通门、地表感应线圈和井眼感应线圈磁力计。观测到的磁场低于磁通门磁力计的灵敏度，但高于地表感应线圈的灵敏度。在高地磁信号活动的周期期间，可以使用磁通门磁力计来分解自然信号。在一些实施方式中，可以部署地表感应线圈和井眼三分量磁通门磁传感器两者。可以在出现高信号期间使用磁通门传感器，并用于工具定向，而地表观测则可以用作备用，以协助信号幅度的监测和处理。

[0067] 图11A是增强的弱电磁信号的示例处理1100的流程图。在一些实施方式中，计算机系统102可以实施处理100以对无源电磁数据信号进行后处理。计算机系统102可以接收测量的电磁信号的时间序列。图11B示出了随时间而获得的电信号和磁信号的曲线图1102。计算机系统102可以通过傅立叶变换将测量的时间序列转换为频谱估计。图11C示出了对通过傅立叶变换获得的电磁信号的频谱估计的曲线图1104。计算机系统102可以将频谱估计与本地或远距离(或两者)遥控参考磁频谱估计或大地频谱估计(或两者)组合以求解阻抗和磁传递函数估计。计算机系统102可以使用使相干性最大化或使方差最小化(或两者)的鲁棒过程对频谱估计执行统计操作(例如，堆叠或其他统计操作)。图11D是示出通过处理频谱估计而获得的响应函数的曲线图1106。“响应”函数(或“传递”函数)与原始信号(时间序列)不同：它是通过对时间序列进行频域变换的比率而获得的。在电噪声区域中或在低地磁活动周期期间，如果使用磁场来预测电场，则计算机系统102可以通过实施预测算法来选择要处理的数据，反之亦然。备选地，计算机系统102可以通过实施加权或相干性或频谱功率来选择要处理的数据。在一些实施方式中，计算机系统102可以使用所得数据来映射(例如，沿三个维度)地层100中的流体改变的分布。

[0068] 图12A是具有电磁传感器的井下工具1200的截面图。如图12A所示，井下工具1200容纳传感器单元24。传感器单元24包括具有内部空腔46的细长本体44。细长本体44可以具有弯曲的内表面48和弯曲的外表面50，以装配在井的内径内。在一些实施方式中，传感器单元204可以安装到生产管道的外部；在这种实施方式中，生产管道可以用作生产流体在其中流动的细长本体44。传感器单元24通过脐带缆30来与电子通信模块(例如，图1中所示的计算机系统102)通信。脐带缆30可以是例如电脐带缆，并且可以是管道包裹的导体36。如图12B所示，管道包裹的导体36包括围绕绝缘体40的层的管道38。导体42位于绝缘体40内。现在返回图12A，脐带缆30在上部端接螺母52处附接到传感器单元42。上部端接螺母52位于传感器单元24向上面对的顶表面上的传感器单元24的上端附近。导体56在端接螺母52处离开脐带缆30并通过上部通道54进入空腔46，并且在穿过下部通道64并连接到下部端接螺母68处的脐带缆26之前与印刷电路板电子模块60和电磁传感器62两者通信地关联。脐带缆26也可以是管道包裹的导体36(图12B)。从图12A中可以看出，在上部端接螺母52下方，上部隔板连接器压力屏障58将上部通道54与井下环境的压力相密封。在下部端接螺母68上方，下部隔板连接器压力屏障66将下部通道64与井下环境的压力相密封。中间隔板连接器压力屏障
70将中间通道72与井下环境的压力相密封。上部通道54、下部通道64和中间通道72是到内部空腔46的唯一开口。屏障58、66和70的组合有效地将内部空腔46与井下环境的高压相密封，从而允许内部空腔46保持在大气压以保护[PCB]电子模块60和容纳在内部空腔46内的任何其他电子组件免受过大压力。凹部74中的内部空腔46的外部形成在传感器单元24的外侧50中。

[0069] 至少一个电磁传感器62位于凹部74内。绝缘体76位于凹部74内传感器62的上方和下方。电磁传感器62是低频三轴电容式电极传感器，能够收集和报告沿3个维度的电场、沿3个维度的磁场以及沿三个维度的磁场随时间的改变。电磁传感器62可以收集频域和时域电磁场数据。电磁传感器62的能力不取决于传感器62周围的化学环境或本地井眼温度或湿度。传感器62能够在没有电解质的干燥条件下操作，例如在传统的多孔罐式电极中使用的电解质的情况下进行操作，因此传感器200可以永久地部署在地表或储层水平，而无需进行大量的日常维护。电磁传感器62可以与地层(储层)接触或与井眼的内表面完全隔离。电磁传感器62与环境的耦合完全是电磁的，并且不需要离子交换。

[0070] 此外，在井下工具1200中，电容式电极的位置将被沿着井的大偶极距离间隔开，例如，数十到数百米或数千米的量级，以测量无源电磁信号。电容式传感器可以被两个绝缘体间隔开，并且信号可以经由绝缘导线传导至PCB电子模块60，PCB电子模块60可以包括数个系统，包括电源、模数转换器(A/D)、信号调节器和放大器。PCB电子模块60还可以包括调制解调器，以在单根导线或双绞线上多路复用功率和遥测通信，以双向传输至地表和井眼。可以在地表处通过另一个调制解调器对遥测进行解调。

[0071] 在一些实施方式中，可以使用不是专门用电容技术操作的其他设备来测量电场。磁场本身不需要与要测量的井眼环境有任何接触。在一些实施方式中，井眼传感器可以仅包括电场传感器，而磁场传感器位于与电场传感器不同的地表或位置处。图6中所示的场使用由计算机系统102针对滨水区数值模拟300a和在沙特阿拉伯石油储层中在地球地表实验观测到的场计算的响应函数导出。因此，图6的曲线图600所示的场是将在地层300a的井眼中观测到的场幅度的预测。通常，对于位于井眼内的电场传感器和位于地表或附近井中的磁场传感器，可以用其幅度的大致一半对异常阻抗进行评估。可以通过对所观测的响应函数进行三维分析来考虑所观测的异常的减少。如果磁场测量与电场测量值不在同一位置，则将不会测量部分异常，但是3D建模/反演仍可以恢复储层流体的改变。

[0072] 井下传感器可以布置为单个传感器、一串相互连接的传感器、分离的且独立的传感器套件或它们的组合。这里所描述的技术可以实现为可回收的井眼工具，例如，在井眼中执行无源电磁测井，或者实现为永久安装在地层中的设备。通过传感器测量的电磁信号可以通过井眼遥测传输到地表。备选地或附加地，计算机系统102可以设置在井眼内，使得可以直接在井眼内实现阻抗确定和其他后置处理。

[0073] 在一些实施方式中，传感器可以与具有到地表的电脐带缆的电控智能完井系统联合部署。这种实施方式可以将深水驱前缘感测和多区井流控制相结合，以实现一种能够在水突破井眼之前进行井流调整的主动地层管理系统。这种实施方式可以使现场采收率最大化，并导致几乎没有烃遗留在地层中。

[0074] 返回图1，在一些实施方式中，计算机系统102可以以数字电子电路或以计算机软件、固件或硬件来实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或以它们中的一个或多个的组合来实现。计算机系统102可以被实现为编码在计算机存储介质上、用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的一个或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一个或多个模块。备选地或附加地，程序指令可以编码在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或电磁信号)上，所述信号被生成以对信息进行编码，以传输给合适的接收机装置，以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备，或其中的一个或多个的组合，或可以包括在其中。此外，尽管计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是在人工产生的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是一个或多个单独的物理组件或介质(例如，多个CD，盘或其他存储设备)，或包括在其中。被描述为由计算机系统102执行的操作可以被实现为由一个或多个处理器(有时称为数据处理装置)对存储在一个或多个计算机可读存储设备上或从其他源接收的数据执行的操作。

[0075] 因此，已经描述了本主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。在某些情况下，在权利要求书中记载的动作可以以不同顺序来执行，并且仍然实现期望结果。此外，附图中绘制的过程不一定需要所示出的特定顺序或按顺序次序来实现期望结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可能是有利的。

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