[0002] 本申请要求2014年6月23日提交的
发明名称为“Injection Well Identification using Tracer Particles(使用示踪粒子进行的注入井识别)”的美国临时
专利申请No.62/015,713的优先权。此申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及在地下储层内使用示踪剂，更具体地，涉及使用
X射线荧光透视或应用到示踪粒子的其它类似分析技术进行的注入井识别。
背景技术
[0004] 各种行业将
流体注入到
土壤中以从地下储层中
抽取自然资源。一些实例包括：1)
水力压裂工艺；2)通过经由注入井将CO2和/或水注入到开采井中来刺激油井；3)通过添加在与开采井平行的井中流动的流体来刺激重油井；4)通过注入
蒸汽来刺激；5)
烃(油和气体)的二次回收；以及6)
铀的原地回收(“ISR”)等。在一些状况下，多个注入井和一个或更多个开采井开发地下储层。来自注入井的流体可流动到开采井。通常期望知晓流体源自哪一口注入井。在其它状况下，来自注入井的流体可以是例如
饮用水污染的污染源。通常期望确定污染的源头。
发明内容
[0005] 提供一种用于观察被开采钻井和两个或更多个注入钻井穿过的地下储层的方法。通过一个注入钻井将第一组示踪粒子输送到储层，同时经由第二注入钻井将第二组示踪粒子输送到储层。第一组示踪粒子包括第一识别元素，而第二组示踪粒子包括第二识别元素。
每一示踪粒子均包括
磁性材料。使用开采流体中的识别元素通过X射线荧光(“XRF”)
光谱术或其它类似分析技术来确定来自第一组或第二组示踪粒子的粒子是否存在于从开采井开采的流体中。因此，可确定来自特定注入井和开采井的流体流(或其不存在)。这有助于建立所述井穿过的
地层的特性，并有助于提高地层中含有的烃的钻探和开采的效率。
[0006] 在本发明的一些
实施例中，在流体仍处于开采钻井内时，使用流体来确定来自第一组或第二组示踪粒子的粒子是否存在于从开采井开采的流体中。在其它实施例中，具有磁性地提取的示踪粒子的流体被从开采钻井中移除，并在外部被分析。
[0007] 在本发明的各种优选实施例中，通过收集器-读取器中的磁体的阵列来集中流体中的磁性示踪粒子。阵列中的相邻磁体的磁化方向被定向成在靠近该阵列的流体中产生具有高
磁场梯度的区域。示踪粒子聚集在这些具有高
磁场梯度的区域中并被捕获以供分析。读取器激发所捕获的粒子中的ID元素，并检测由所激发的粒子发出的粒子激发特征(signature)。接着，可根据该粒子激发特征来识别示踪粒子。
[0008] 在一个实施例中，收集器-读取器包括被构造为钻井内的旋转盘的磁体阵列。由磁体阵列吸引到所述盘的边缘的磁性粒子随着该阵列的旋转而被挡
块铲除。读取器激发由挡块集中的粒子中的ID元素，并检测所产生的由示踪粒子发出的特征。在具体实施例中，使用X射线荧光分析所收集的粒子。
[0009] 在另一实施例中，收集器-读取器包括被构造为钻井外的旋转套环的磁体阵列。由磁体阵列吸引到该套环内部的磁性粒子随着该阵列旋转而被v形挡块集中。读取器激发所集中的示踪粒子中的ID元素并检测所产生的发射特征(emission signature)。在具体实施例中，使用光学荧光来分析所收集的粒子。
[0010] 在另一实施例中，收集器-读取器包括被护套包围的磁体的线性阵列。该线性阵列被添加到钻井中，并且流体中的粒子由磁体阵列吸引并被该护套捕获。所捕获的粒子被从钻井中移除并由外部读取器分析。读取器激发粒子中的ID元素并检测所产生的发射特征，从而识别示踪粒子的源头。
[0011] 在收集器-读取器的各种实施例中，阵列中的磁体构造可包括具有与相邻磁体相反的极性的
永磁体。在其它实施例中，可使用Halbach阵列。
附图说明
[0012] 结合附图，通过参考下文详细描述，将更容易理解实施例的上述特征，其中：
[0013] 图1示意性地示出了在本发明的实施例中被许多注入钻井包围的开采钻井；
[0014] 图2示出了在图1的井场中的、从穿过地下储层的一个注入钻井到开采钻井的流体的流动；
[0015] 图3示出了根据本发明实施例的识别一个注入钻井的过程，该注入钻井是来自开采钻井的开采流体中的流体的来源；
[0016] 图4A到图4C示出了可用于图3的实施例中的示踪粒子；
[0017] 图5是示出了其中相邻磁体具有相反极性的永磁体阵列的一部分中的磁通线的图；
[0018] 图6是根据本发明实施例的位于钻井中的收集器-读取器设备的截面图；
[0019] 图7示出了图6的实施例中的被构造为旋转盘的永磁体阵列中的磁通线；
[0020] 图8示出了在高磁通梯度的区域中收集在图7的盘的边缘上的示踪粒子以及随着该盘的旋转而集中所收集的粒子的挡块；
[0021] 图9是图7的旋转盘的透视图，示出了当受流体流冲击时使所述盘旋转的鳍片(fins)；
[0022] 图10是示出了在本发明的实施例中磁体阵列被构造为钻井外的套环的收集器-读取器的分解透视图；
[0023] 图11示出了图10的磁体阵列套环的横截面，其中该阵列包括具有交替极性的磁体；
[0024] 图12是图10所示的实施例的挡块部分的截面；
[0025] 图13示出了图10的实施例的替代性磁体阵列套环构造的横截面，其中该阵列被构造为Halbach阵列；
[0026] 图14是在本发明的另一实施例中使用永磁体的线性阵列的收集器-读取器的截面侧视图；并且
[0027] 图15是图14的实施例中的收集器-读取器线性阵列的横截面端视图。
具体实施方式
[0028] 在本发明的各种实施例中，提供一种用于观察被开采钻井和两个或更多个注入钻井穿过的地下储层的方法。通过一个注入钻井将第一组示踪粒子输送到储层，并经由第二注入钻井将第二组示踪粒子输送到储层。第一组示踪粒子包括第一识别元素，而第二组示踪粒子包括第二识别元素。通过X射线荧光光谱术利用开采流体中的识别元素来确定来自第一组或第二组示踪粒子的粒子是否存在于从开采井开采的流体中。因此，能够确定来自特定注入井和开采井的流体流(或其不存在)。在本发明的优选实施例中，通过使用可穿过X射线可透过的窗口的XRF，在流体仍处于开采井中的同时使用所开采的流体来实现这种识别。在另一实施例中，通过使用磁力、
流体力学、机械系统或其任何组合而从所产生的流体集中包括磁性材料的示踪粒子，以在仍处于管道中时穿过X射线可透过的窗口通过X射线荧光光谱术来进行识别。在另一实施例中，流体或磁性集中的粒子被从石油流中移除并在油管外被分析。在另一实施例中，使用光学荧光透视或其它类似技术来识别示踪粒子中的识别元素。
[0029] 图1示意性地示出了被多个注入钻井20包围的开采钻井10。注入钻井20可布置在多个开采井10的外围。每个注入钻井20可将流体注入到地下储层15中。注入到一个或多个注入钻井中的流体可流动到开采钻井10。图2示出了流体从一个注入钻井20穿过地下储层15到开采钻井10的流动。因此，从开采钻井开采的流体可能含有注入到一个或多个注入钻井中的流体以及从储层中抽取的其它流体。
[0030] 在本发明的优选实施例中，如图3所示，提供了用于确定从开采钻井10开采的流体的来源的过程100。将示踪粒子与流体一起添加到注入钻井中(110)。添加到特定注入钻井中的示踪粒子的识别特性(identification characteristics)不同于被注入到其它注入钻井20中的任一个中的示踪粒子的识别特性。所注入的携载有示踪粒子的流体沿着注入钻井向下流动并流到地下储层15中(120)。随后从开采钻井开采流体(130)，并进行分析以确定该开采流体中存在的示踪粒子的识别特性(140)。通过将开采流体中的示踪粒子的识别特性与注入到每个单独的注入钻井中的示踪粒子的ID特性进行匹配，允许识别示踪粒子从其进入储层中的一个或多个具体注入井(150)。
[0031] 在本发明的具体实施例中，所述示踪粒子可以是微米标签或纳米标签，其中所述微米标签或纳米标签具有磁性成分(例如，
铁素体或磁性
氧化物)以及允许辨别多个来源或量化每个来源的贡献比例的多种可辨别识别(“ID”)元素中的一种。图4A到图4C示出了所述标签的说明性实例。图4A示出了具有既是磁性的也含有ID元素的混合的铁素体的示踪粒子30。图4B示出了具有被含有ID元素的层45包围的磁性核心40的示踪粒子，而图4C示出了具有磁性核心50、ID元素层52和保护性
外壳54的示踪粒子。该保护性外壳可针对地下产油岩层中的高温和/或高压进行保护，并且可以是(例如，但不限于)TiO2或Al2O3。熟知的铁素体含有确定其磁性特性的各种元素。这些元素包括(但不限于)：Ni、Y、Mn、Zn、Cd、Mg、Al、Co和Cu。在本发明的各种实施例中，每个示踪粒子30、40、50的磁性成分允许使用磁场梯度而从所开采的流体流集中或提取粒子以供分析。(注：在下文中呈现本发明的各种实施例中的磁性示踪粒子集中和提取的细节。)因此，在集中之后，示踪粒子的检测比这些粒子在开采流体中的溶液或悬浮液中均匀分布的情况容易。在其它实施例中，可直接在穿过开采钻井10的携载有示踪粒子的流体中实时地读取示踪粒子的ID元素。在各种实施例中，示踪粒子的直径例如可以是10nm到30nm；而在其它实施例中，示踪粒子可以是0.1μm到10μm以上。
[0032] 在本发明的优选实施例中，X射线荧光光谱术(“XRF”)用于检测示踪粒子中的具体ID元素是否存在于所开采的流体中。XRF是用于测量样本的元素组成的灵敏、非
接触式技术。(在1999年6月Wiley出版的、由Ron Jenkins编写的X-Ray Fluorescence Spectrometry第2版中详细描述了XRF。在2006年Springer出版的Beckhoff,B.、Kanngieβer,B.、Langhoff,N.、Wedell,R.、Wolff,H.(编)的Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis中也详细描述了XRF。这些引用文献中的每一个都以引用的方式整体并入本文。)来自开采井10的所开采的流体被X射线探测。所探测的流体样本的X射线光谱包括对应于处于所开采的流体中的存在于示踪粒子中的具体元素的各种峰值。每一组示踪粒子中的ID元素被选择成使得每一组粒子中的XRF特征可与用于地下储层15中的每一其它组示踪粒子的特征区别开。因为每一组示踪粒子仅注入到一个注入钻井中，所以该组特定示踪粒子的XRF特征的检测指示来自特定注入井的流体对所开采的流体作出贡献。根据X射线横截面，可在不同检测极限下检测各种元素。对于ID元素来说，具有低检测
阈值的元素或氧化物是优选的。在本发明的具体实施例中，基于可在不到150ppm下检测的
原子元素，可选择Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ba、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta作为ID元素。在本发明的优选实施例中，单原子元素或氧化物用作一组特定示踪粒子的ID元素。特定ID元素的XRF特征的强度可有助于确定来自特定注入井的流体对所开采的流体的贡献。在各种应用中，这些元素的选择可基于氧化物的成本、毒性以及在钻井环境中的化学
稳定性。这些元素中的多个的氧化物是极其稳定的，并且可制作良好保护层，例如Cr2O3、Y2O3、ZrO2、HfO2。
[0033] 在本发明的其它优选实施例中，使用以下项中的一种或多种来确定示踪粒子中的ID元素：
[0034] 原子吸收法、
[0035] 原子光谱术、
[0036]
中子活化法(neutron activation)、
[0037] 光学荧光法、
[0039] X射线光
电子光谱术。粒子中的ID元素是根据将使用的分析技术来选择的。例如，如果使用光学荧光法作为分析技术，则
量子点可用作与示踪粒子中的磁性材料组合的ID元素。可在管道中
对流体样本进行分析，或在一些状况下，可从管道中移除流体样本以在管道外部进行分析。
[0040] 磁性示踪粒子收集和分析
[0041] 在本发明的各种优选实施例中，通过可以是永磁体的磁体的阵列来集中流体中的磁性示踪粒子。阵列中的相邻磁体的磁化方向被定向成使得在靠近阵列的流体中产生具有高磁场梯度的区域。示踪粒子收集在这些具有高磁场梯度的区域中被捕获以供分析。读取器激发所捕获的粒子中的ID元素，并检测由所激发的粒子发出的粒子激发特征。接着，可根据该粒子激发特征来识别示踪粒子。
[0042] 图5示出了软磁通返回极230上的具有交替极性的永磁体205的阵列200的一部分。磁通由弯曲线210示出，其中最大梯度存在于相反极性的磁体的界面处。(磁体的极性如向量220所示)。靠近磁体的表面240的、悬浮在流体中的磁性粒子将优选聚集在较高磁通量梯度的
位置处。磁场梯度 中的磁性粒子上的力是
[0043]
[0044] 其中m是粒子的磁偶极矩。对于常见软铁素体来说，饱和磁化强度是约0.2*106A/m的量级，其中相对磁导率是100到1000。假设相对磁导率是100，仅2000A/m(等同于25高斯)的磁场就将使粒子磁化饱和。给定可从现代永磁体获得的强磁场，为了简单起见，我们可假设饱和磁化强度得以实现。粒子上的力以及可实现的穿过流体的漂流速度与磁场梯度成比例。对于具有特性间距或周期Lmag 250的交替极性的永磁体(例如，SmCo或NdFeB)的阵列来说，场梯度是约2*B0/Lmag。对于行进穿过
粘度μ的流体的直径d的球形粒子来说，摩擦因数(力与速度的比)f＝3πμd。因此，对于给定的粒子大小和磁间距，可导出粒子速度。
[0045] 在本发明的各种实施例中，各种收集器-读取器实施方案可如下所述地利用使用磁体阵列而进行的磁性示踪粒子的磁性集中和收集。
[0046] I.被流体填充的管道内的磁体阵列盘
[0047] 在本发明的优选实施例中，如图6的整体截面所示，收集器-读取器设备300用于识别示踪粒子中的ID元素。永磁体的旋转盘阵列320安装在钻井315中。该盘在垂直于图面的轴线321上转动。随着流体310流过阵列并随着该阵列转动，所述盘吸引磁性示踪粒子324。如图7所示，此阵列中的磁体的磁化方向如箭头所示地交替。(在图6到图9中，阵列中的每一个磁体通过示出其磁化方向的箭头来识别。)软磁通返回极318设置在所述盘中。这些磁体在相邻磁体之间产生最大磁通梯度322的区域。磁性示踪粒子优选被吸引到这些具有最大梯度322的区域。如图8所示，挡块335被设置成通过随着所述盘的转动而将所收集的粒子
324从所述盘上剥落来收集并因此集中所述示踪粒子。在此实施例中，挡块335被成形为铲子(scoop)，但挡块的其它形状也是可以的，例如，v形。图8是盘阵列320的放大侧视图，示出了区域324，在该区域324中，磁性粒子优选聚集在所述盘的边缘上。还示出了已随着所述盘的转动而被挡块335剥落并保持的粒子。随后可分析这些被集中的示踪粒子。
[0048] 返回到图6，为收集器-读取器设备300提供读取器400。在此实施例中，读取器400将发射X射线的
X射线管410源装置和X射线检测器430相组合。X射线穿过钻井315的井壁中的、X射线可透过的窗口420而撞击挡块335中的磁性示踪粒子。当被X射线激发时，这些示踪粒子可发出具有磁性示踪粒子中的ID元素的
波长特性的二次X射线。这些二次X射线被检测器430接收并产生电子特征(electronic signature)，该电子特征是所存在的ID元素的特性。因此，可确定示踪粒子的组成。
[0049] 图9是本发明的实施例中的盘320的透视图，其中鳍片340设置在所述盘的侧面上。随着流体310流过所述盘而撞击之下鳍片，所述盘旋转。应注意，鳍片340还可设置在图9中未示出的所述盘的侧面上。
[0050] 在其它优选实施例中，图6中的读取器400可使用可激发所收集的磁性示踪粒子发出可检测到的特性特征(例如，光学荧光等)的源装置410和检测器430的任何技术。同样，可使用其它磁体阵列构造，例如，Halbach阵列。(在下文中描述Halbach构造。)此外，在其它实施例中，其磁化方向被改变以便在靠近所述盘的流体中产生具有高磁通梯度的区域的永磁体的任何阵列构造可用于收集示踪粒子。
[0051] II.被流体填充的管道外的磁体阵列盘
[0052] 在本发明的另一优选实施例中，如图10的分解透视图所示，收集器-读取器设备500用于识别示踪粒子中的ID元素。非磁性材料505(例如，Ti
合金)的细管段替代钻井中的常规管段。永磁体的旋转阵列510作为套环而包围此管段(pipe section)。此阵列包围管段
505而旋转，由穿过端口535的套环
致动器电机驱动，其中该电机未被示出。非磁性管段505的轴线和套环510的轴线重合。外壳530被设置为含有上述组件。流体502如图10所示地流动。
[0053] 图11是此实施例中的磁性阵列套环510的构造的俯视图。如图11所示，此阵列中的磁体512的磁化方向的交替如箭头所示。软磁通返回极514设置在套环中。这些磁体在套环内在相邻磁体之间产生具有最大磁通梯度的区域。随着流体502流过套环510的层级(level)，磁性示踪粒子优选被吸引到这些具有最大磁通梯度的区域并被收集在靠近这些磁体接头的非金属管道505的内表面上。v形挡块516附接到非金属管道505的内壁。此挡块在图12中以横截面示出。随着套环致动器电机(未示出)使套环绕其轴线旋转，内管壁上收集的磁性示踪粒子朝向v形挡块516旋转。挡块516的“v”形结构在所述管道中的窗口520下方集中所述示踪粒子以供分析。
[0054] 粒子清除器518被设置成在分析之后从挡块516移除粒子。粒子清除器是非金属管段505的内壁上的突起，如图11所示。当套环通过电机在与收集旋转方向相反的方向上旋转时，挡块中的粒子沿着管道505的内壁移动，从而留下挡块516。最终，这些粒子撞击管壁上的
凸块518并分散回到流体中。收集器-读取器设备500因此预备进行进一步粒子收集和分析。
[0055] 如第37段和第39段所述的读取器400也被提供。端口525设置在外壳530中以使来自读取器源装置的激发能(例如，X射线)进入并将所产生的激发特征引导到检测器。(为清楚起见，源装置或检测器在此处都未示出。)非金属管段505中的窗口520被设置成进行从v形挡块所收集的粒子的
能量接入以及到所述粒子的能量导出。套环每转动一次，旋转套环510中的对应窗口545转过窗口520一次，因此允许进行穿过套环的能量接入和能量导出。上文描述了分析所述特征来识别示踪粒子中的ID元素。
[0056] 在另一优选实施例中，Halbach阵列用作套环磁体阵列510，如图13所示。在此实施例中，阵列中的磁体的磁化方向如图所示地交替。此磁体构造将磁体阵列的内表面上的磁通梯度最大化。因此，磁性粒子的收集得以增强。套环阵列510的其它特征与上文所述的图11所示的套环阵列中的相同。
[0057] III.可移除的线性阵列
[0058] 在本发明的又一优选实施例中，如图14的侧视截面图所示，收集器-读取器设备600用于识别示踪粒子中的ID元素。永久磁体盘620、621的线性阵列605安装在钻井侧面的端口中。磁体盘的磁化方向(如箭头所示)从向外极化620到向内极化621交替。这些磁体盘可装载到软磁性杆610上。这些磁体在相邻磁体之间产生具有最大磁通梯度的区域。磁性示踪粒子优选被吸引到这些具有最大梯度的区域并被收集在在阵列的外部上的磁体之间的接头处。磁体盘的线性阵列605可滑动到封闭阵列的护套630中，例如，
聚合物护套。护套630可截留随着流体流过阵列605而被吸引到阵列的磁性示踪粒子。可接着从钻井将这些粒子移除以供分析。图15从阵列的端部示出来线性阵列的横截面。
[0059] 外部读取器被提供(未示出)。从钻井中移除的粒子被如第37段和第39段所述地分析。因为粒子是从钻井中移除的，所以读取器可具有任何便利的外形尺寸。
[0060] 应用
[0061] 本发明的各种实施例可包括以下特征中的一个或多个或应用在一种或多种应用方法中：
[0062] 1.示踪粒子的表面化学性质的某些改性可帮助用户推断关于截留在本文所述的构造中的流体的化学特性的信息，其中粒子从注入井穿过该构造行进到开采井的地层中。
[0063] 2.示踪粒子可被设计成持续较长时间段，以便该示踪粒子可用于追踪水力压裂流体到含水层中的流动。这将尤其在较长时间段之后实现水力压裂流体的环境影响的较好追踪。
[0064] 3.示踪粒子可在ID元素中编码的诸条信息之一可以是它们被注入到地下储层中的日期。粒子在开采井中的到达日期以及对源注入井的识别可允许确定穿过地层的所注入的流体的流率并允许映射流体流动路径的几何结构。
[0065] 4.在其它实施例中，此识别方法可用于治沙。在安装碎石封隔器或网来治沙之后，来自其中已被注入示踪粒子的钻井的标签可被截留在封隔器中。读取装置可永久放置在完工的封隔器旁边，并且可用于检测示踪粒子的标签的来源。
[0066] 5.在也与治沙相关的另一实施例中，读取装置(例如，
测井电缆工具)可靠近正执行治沙的碎石封隔器或网而降低到开采井中，以使得可确定所开采的石油或气体的源头。
[0067] 6.在各种实施例中，此技术可用于公用设施行业中以确定街道级别水
泄漏的路径。这可通过将示踪粒子注入到若干可能来源中并读取来自街道上的泄漏出的ID元素来进行。
[0068] 7.在一些实施例中，上文所述的这些示踪粒子和过程可用于追踪流体的混合起重要作用的制造工厂内的流体的路径。
[0069] 8.在一些实施例中，上文所述的这些示踪粒子和过程可追踪较小河流对较大河流的贡献。这在水源的农业管理中特别重要。
[0070] 9.为了改进原料的物流，这些示踪粒子可放置在来自不同城镇或国家散装材料中。当来自不同来源的原料混合时，许多时候人们想要知道或验证原料来自何处。上文所述的过程和装置可用于追踪并认证材料的产地。
[0071] 10.上文所述的过程和装置可发现从多个流体流之一到另一流体流的泄漏。
[0072] 本发明的上述实施例旨在仅是示范性的；对于本领域的技术人员来说，许多变化和
修改将是明了的。例如，虽然本发明的实施例已被描述为使用永磁体以利用磁场来吸引示踪粒子，但产生磁场的其它方法(例如，电磁体等)也可用于本发明的其它实施例中。所有这些变化和修改都旨在落在本发明的范围内。本发明的实施例可不受限制地由所附
权利要求书限定。
