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超分辨率 地层 流体成像

阅读：844发布：2020-05-12

专利汇可以提供超分辨率地层流体成像专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种超分辨率地层流体成像。使用高功率脉冲磁场源、时域信号采集、低噪声磁场传感器、空间过采样及超分辨率图像增强和注入的磁性纳米流体来执行井间电磁(EM)成像。对采集的信号进行处理，井间图像通过映射电磁(EM)信号速度(群速度)而不是传导图来产生。提供了具有改善的针对天然和注入流体的分辨率的EM速度图。，下面是超分辨率地层流体成像专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种对油气地下储层进行电磁成像的方法，包括步骤：
发射穿过所述油气地下储层的电磁能量信号的脉冲；
记录在多个电磁传感器处接收到的所发射的电磁能量信号的波形；
形成在所述多个电磁传感器处接收到的信号的传播时间的测量值；
将接收到的信号分解为它们的频率分量；
抽取接收到的信号的传播时间数据作为频率的函数；以及
基于抽取的作为频率的函数的传播时间数据来形成所述油气地下储层的地下特征的反演速度图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中发射电磁能量脉冲的步骤进一步包括从多个电磁能量源发射穿过所述油气地下储层的电磁能量脉冲的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括将所述多个电磁能量源经由所述地下储层中的钻井下降至井下工具中的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括将所述井下工具移动到所述钻井中的一系列位置以在所述位置处发射穿过所述油气地下储层的电磁能量脉冲的步骤。
5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在所述地下储层之上的地面上以阵列方式设置所述多个电磁能量源的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述多个电磁传感器经由所述地下储层中的钻井下降至井下工具中的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括将所述井下工具移动到所述钻井中的一系列位置以形成发射的脉冲在所述位置处的传播时间的测量值的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述地下储层之上的地面上以阵列方式设置所述多个电磁传感器的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对由所述多个电磁传感器所感测到的所述电磁能量执行层析成像反演分析的步骤。

说明书全文

超分辨率 地层 流体成像

[0001] 本申请是基于申请日为2012年12月7日、申请号为2012800606538(国际申请号为PCT/US2012/068367)、发明创造名称为“超分辨率地层流体成像”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及对地下结构特别是油气储层及其中的流体进行成像，更具体地涉及井间(cross-well)和井地(borehole-to-surface)电磁(EM)勘探。

背景技术

[0003] 井间和井地电磁(EM)勘探涉及放置在一口钻井内的连续波(CW)EM源和在远端钻井内检测EM 信号的相位和幅度的接收器/传感器，所述井间和井地电磁(EM)勘探使用多个源和接收器位置。数据读数被用作产生信号的合成时域变形，推测的传输时间与源/接收器几何结构一起用于通过使用射线追踪反演来建立井间平面的2D传导矩阵或图像。

[0004] 在油气储层中总是存在导电性盐水，盐水的存在使得EM信号与其频率成比例的衰减。盐水的存在、约1公里或以上的大井间距离以及传统接收器中的热噪声限制使得连续波EM勘探需要非常低的频率操作，通常大约200Hz。所需的低频率操作范围极大地限制了井间成像分辨率，这是因为：a)其处于扩散区域，b)其具有非常大的波长。目前所知，只能获得井间间距的1/10th到1/20th的空间分辨率。

[0005] 由于在油气储层内钻井的实际间隔通常跨越几百到几千米且这种储层通常与导电性盐水相关联，所以横跨储层会遭遇显著的EM信号衰减。这种衰减是与频率有关的，较高的频率比较低的频率衰减更多。由于较高的频率具有较短的波长，因此提供较佳的成像分辨率，有利的是在经过关注储层区域之后仍然提供可检测信号的最高频率上操作。然而，盐水的存在、浓度和分布在勘测之前通常是未知的，因此无法提前确定使用EM勘探来勘测储层的最优频率。

发明内容

[0006] 简而言之，本发明提供了新的改进的用于对油气地下储层进行电磁成像的设备。所述设备包括电磁能量源，其发射穿过油气地下储层的电磁能量脉冲。所述设备中的多个电磁传感器形成从所述电磁能量源发射的脉冲的到达时间的测量值。所述设备还包括处理器，其对来自多个电磁传感器的到达时间数据的测量值进行分析以形成油气地下储层的地下特征的表征。所述设备中的显示器形成所述油气地下储层的地下特征的表征的图像。

[0007] 本发明还提供了新的和改进的油气地下储层的电磁成像方法。发射穿过油气地下储层的电磁能量脉冲，在多个电磁传感器处形成所发射的脉冲的到达时间的测量值。对来自多个电磁传感器的到达时间数据的测量值进行分析以形成油气地下储层的地下特征的表征，之后形成油气地下储层的地下特征的表征的图像。附图说明

[0008] 图1是用于井地电磁勘探的发射器-接收器阵列的示意图。

[0009] 图2是用于井间电磁勘探的发射器-接收器阵列的示意图。

[0010] 图3A是用于电磁勘探的电磁能量发射器的示意图。

[0011] 图3B是用于电磁勘探的电磁能量接收器的示意图。

[0012] 图4是方波电磁能量信号的功率谱图。

[0013] 图5A是用于电磁勘探的脉冲发生器的示意电路图。

[0014] 图5B是由图5A的脉冲发生器产生的脉冲的示例波形。

[0015] 图5C是用于电磁勘探的由脉冲发生器产生的实际脉冲的示例波形。

[0016] 图6A是用于电磁勘探的基于半导体的脉冲发生器的示意电路图。

[0017] 图6B是由图6A的脉冲发生器产生的示例电压和电流波形图。

[0018] 图7是用于电磁勘探的感应传感器的等效电路的示意电路图。

[0019] 图8是根据本发明的示例井间电磁勘探的示意图。

[0020] 图9A、图9B和图9C是地下介质的各种频率和传导性的范围对比功率的绘图。

[0021] 图10是根据本发明的另一井间电磁勘探的示意图。

[0022] 图11是根据本发明的另一井间电磁勘探的示意图。

[0023] 图12是根据本发明的另一井间电磁勘探的示意图。

[0024] 图13是根据本发明的井间电磁勘探的测试结果的示意图。

具体实施方式

[0025] 作为引言，本发明涉及对地下结构特别是油气储层及其中的流体进行成像。主要方法与井间和井地电磁(EM)勘探技术相关。本发明具体集中在使用高功率脉冲EM源的全时域数据采集。本发明还可包括空间过采样和超分辨率数据处理技术来改善图像分辨率。本发明还可使用磁性材料来提供包含注入流体的区域的图像对比。

[0026] 使用高功率脉冲电磁场源、全时域信号采集、现代低噪声磁场传感器、空间过采样及超分辨率图像增强和注入磁性纳米流体的组合，来提供一种改进的井间EM成像方法。本发明所提供的方法产生映射EM信号速度(群速)而不是传导图(conductivity map)的井间图像。传统连续波(CW)源在井下环境中一般受限在约1500瓦。比较起来，根据本发明的脉冲源有助于简单的到达时间采集方案且容易支撑兆瓦特发射器。如将要描述的，简单的电流回路发射天线可以由Blumlein、Marx发生器、简单的火花隙、脉冲形成LC网络或其他源来从快速放电能量源(电容器)驱动以产生需要的电流和功率等级。更高的功率等级提升井间EM成像的范围和/或操作频率。使用这种源和具有噪声指数在每Hz皮特斯拉至飞特斯拉范围的可用现代磁场传感器(例如磁通门、SQUID、探测线圈等)，与现有技术相比可得到P/N比(发射功率与接收器热噪声之比)的实质改善。由于油气储层流体结构和组成只缓慢变化，所以时间可用于执行具有相对小的发射器/接收器定位阶梯的这种测量。取决于所执行的过采样的量，这种“过采样”按照三至十的比例与超分辨率图像反褶积方法一起使用来改善图像分辨率。最后，可以注入用磁性纳米颗粒负载的流体(一般是水)，与纯水相比，其容易地降低群速5至10个百分点。可以以天然或先前注入的水为背景来成像该流体。在注水环境中，这有助于确定注入流体的动态流动路径。因此，本发明提供了针对天然流体和注入流体的具有井间间隔最高100th分辨率(即，之前可得的5到10倍)的EM速度图。

[0027] 采用本发明，从地下储层中或附近的一个位置处的高功率、脉冲电磁脉冲EM源产生具有已知特征的电磁(EM)脉冲。所发射的脉冲EM信号被发射穿过储层，并在穿过储层的地下地层之后被一个或多个其他EM能量接收器记录。在经过储层之后所记录的EM信号与所发射的信号在取决于中间介质(例如，储层)的特性以及这些特性的空间变化的特征(例如，时间、幅度、功率谱等)方面不同。

[0028] 在图1中，发射器Tx的源阵列20的EM勘探位置的示例排列布置在井孔或钻井22内。在图1中，适当数量的EM能量接收器Rx的阵列24被布置在地表上形成所谓的井地阵列。同样如图1所示，EM能量接收器RX的另一组或阵列26被布置在与发射钻井22间隔开的另一井钻井28内。

[0029] 发射器Tx可以置于钻井内或置于地表上。同样地，接收器Rx可以置于钻井内或置于地表上。可以采用超过一口钻井；这种构造通常称为“井间”。如果只有一口钻井结合地面阵列被使用，该配置通常称为“井地”。图1示出了这两种构造。通常，至少使用一口井以便EM信号能够穿过关注区域。

[0030] 如图2所示，多数EM能量测量采用发射器和接收器位置的不同组合来执行以便从不同方向采样储层的不同部分。在图2中，在发射钻井34中的若干发射器32发射高功率脉冲EM能量，以经过地下地层到达接收器钻井38内的接收器36组。诸如40a、40b和40c所示的波形显示表示源自在一定深度处的接收器36的作为EM信号传播时间的函数的示例读数。如图2所示的对于给定发射器和接收器位置组的多个传输测量可以进行累加或求平均以改善信噪比。可以采用多个发射器(例如，阵列)以及多个接收器(例如，阵列)。通常，无论是独立的或组成阵列的发射器和接收器，都被置于多个位置处来采样储层的不同部分并从不同方向上采样每个部分。

[0031] 根据本发明的优选实施例，如图3A和图3B所示，回路天线和脉冲电流发射器产生高功率EM信号。示例的该发射器32(图2和图3A)包括与供电模块48连接的具有火花隙的回路天线44。电容器50横跨源自供电模块48的引线连接在回路天线44中，负载电阻器52连接在供电模块48和火花隙46之间。

[0032] 图3A的示例发射器32是如图2示意性示出的若干这种单元中的一个，其安装至由地表处的车辆58的吊线56放下的工具或探头54上。图2所示的发射器32及其他发射器在EM勘探期间移动到发射钻井内的一定深度。与地面处的车辆58相关联的系统控制单元60在吊线上发送如62处所示的信号或脉冲来提供发射脉冲的能量。一旦启动，供电模块48通过限流电阻器52向能量存储电容器50充电，直到其达到火花隙46的击穿电压。电流脉冲通过回路天线44(其可能具有多于一个环或回路)放电。小电流回路或感测线圈45被供电来捕获由44所产生的小部分电磁场；小电流回路或感测线圈45与用来向记录设备或仪器提供启动信号的同轴电缆56连接。应当认识到的是也可以使用其他形式的发射器。

[0033] 示例接收器36(图2和图3B)包括与记录仪器或示波器模块或卡68连接的回路天线66。图3B的接收器36是如图2示意性示出的若干这种单元中的一个，其安装至由地表处的EM 测井车辆74的吊线72放下的工具或探头70上。图2所示的接收器及其他接收器在EM勘探期间移动至接收钻井中的数个深度。与EM记录车辆74相关联的记录和处理仪器基于地面记录和处理仪器通过吊线72中的“开始总线”给出的命令，将从发射钻井经过关注储层之后被接收到的高能量EM脉冲记录通过吊线72发回。这些记录随后被存储到系统控制单元60并可用于进一步的处理和计算机化分析。应当认识到的是其它形式的接收器也可使用。

[0034] 根据本发明，一般地，高能量EM能量且长度和上升时间可选的方形电流脉冲被提供为从EM能量发射器产生的EM信号。该EM脉冲是有利的，因为它们的产生和控制相对简单并且包括宽频率分量范围。图4示出了根据本发明的发射器所发射的种类的单个(点包络线78)脉冲和重复(f0处及其奇次谐波的箭头80)脉冲的代表功率谱。

[0035] 由于在油气储层中钻井的实际间隔通常横跨几百到几千米，另外由于这种储层通常与导电性盐水相关联，所以几乎普遍遭遇EM信号穿过储层被显著衰减的情况。这种衰减是与频率相关的，因此更高的频率比更低的频率衰减更多。由于更高的频率具有更短的波长，因此提供更佳的成像分辨率，采用本发明有利的是在经过关注储层区域之后仍然提供可检测信号的最高频率上操作。由于盐水的存在、浓度和分布在勘测之前通常是未知的，因此用于测量储层的最优频率无法提前确定。因此，根据本发明的固有宽带EM源被采用，其由图3A所示的方形脉冲回路天线发射器32提供。

[0036] 本发明所提供的另一优点是能够动态控制所发射的EM能量电流脉冲的长度。降低电流脉冲的长度使f0上升并且将包络线推向更高频率，确保在给定T-R间隔和信号功率处成像储层时获取最佳可能的分辨率。采用本发明的信号形状的另一有用特征是所发射能量的频谱在0Hz包括大量功率。如稍后描述的，这结合注入的磁性纳米流体具有价值。

[0037] 可以采用多种传统类型的若干EM源，只要这种源包括可用于确定穿过储层的传播时间的某些时间变化特征并且其具有足够的能量来允许在储层地点处的检测。优选源包括如图3A中32处所示的回路天线，其可具有多重导体回路。如已描述的，该天线优选由脉冲高电流方波驱动。这种电流分布可以由脉冲形成电路来方便地形成，例如本领域公知的Blumlein电路类型或晶闸管电路类型。应当认识到的是当然可以使用合适的电路或源。

[0038] 图5A的82处示意性地示出了示例脉冲发生器。当开关84闭合时，如图5B所示的理想矩形脉冲85被施加到具有与脉冲发生器82相同阻抗的负载86上。如图5B所示的脉冲85的幅度由充电电压来确定，脉冲宽度由电信号的传输线路的长度和传播速度v来确定。图5C是从脉冲发生器82到10ohm负载的具有10-ns时间宽度和35kV电压幅度的单个输出脉冲88的绘图。加压的火花隙提供了1ns的上升时间。

[0039] 脉冲发生器82通常采用火花隙(虽然一些变形可能是外部触发)来初始化脉冲。能量通过高压电源90来提供，用于根据本发明的EM勘探的脉冲的能量被存储在高压同轴电缆或与图5A的92处所示相类似的波导结构中。EM勘探脉冲的长度由同轴电缆92的长度来确定并且该电缆的单位长度的特征阻抗和电容确定所传输的电流，其以标称恒速抵达。由于油气储层通常位于地下约10，000英尺，向钻井中的EM源传输高电压的同轴电缆能便利地作为如图5A中所示那样的Blumlein源并产生约10微秒长度的脉冲。

[0040] 如图6A中94处示意性示出的，用于EM源的替代供电可包括电容器组和高压开关(通常是晶闸管装置)。分别示出电压和电流的波形96和98组(图6B)，针对根据本发明的最大电流脉冲。术语“晶闸管”被用于标识包括SCR(硅可控整流器)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的密切相关的半导体装置类别。在Blumlein源脉冲的长度将不再适合的情况下，这种半导体装置传送更长的脉冲。与机械或气体放电开关相比，这种固态开关在适度提升了成本和复杂性的同时提供了更低的维护费用和更长的生命周期。应当注意到的是虽然更普遍的配置是使用电容器组用于能量存储，但是晶闸管可以用于切换Blumlein脉冲发生器的输出，以及通过选择或控制负载装置的阻抗来限制或整流电流输出。

[0041] 本发明中所使用的接收器36优选采用磁场换能器和时域记录装置的形式。记录装置可以简单采用过零鉴别器和快速计数器来记录信号到达时间，或者可采用更复杂的和高成本的瞬态记录器或数字示波器模块。应当认识到的是可以使用换能器。简单和普遍合适的换能器是回路天线，如图3B的66处所描述的公知的示例磁场传感器“探测线圈”。探测线圈通常具有许多导体回路来提升灵敏度。

[0042] 应当认识到的是多种装置可以用于捕获由EM源所产生的磁场并将感测到的磁场读数转换为可以被记录用于后续分析的电信号。替代传感器可包括被称为SQUID的超导装置、磁通门、霍尔传感器和自旋阀。在图7的100处以等效电路形式示意性地示出了示例性的探测线圈。

[0043] 空间和时间过采样

[0044] 超分辨率图像增强包括本发明的另一方面。成像分辨率通常认为是受基于EM探测的波长的受衍射限制的分辨率的约束。然而，可以结合包括一些系统边界和结构的认知的反演模型来执行空间过采样。这通过产生具有大大超过通常被认为是衍射极限的分辨率的图像来完成-特别是如果在近场中执行采样。

[0045] 现成例子来自油田中的感应测井。感应测井通常在1MHz左右的频率上操作，取决于地层阻抗，其将表示波长和约100到1000米的分辨率。然而，实际上，通过恰当的反演代码和地层的层级模型的响应，通常实现约1米或以下的有用分辨率。

[0046] 通过本发明，认为高达井间间隔1/20th的井间EM成像分辨率是实际和期望的目标。实际上，在发表文献中，以约200Hz频率发射连续波信号的信号源用于850米井间间隔来产生具有约45米块的图像。45米距离是200Hz EM信号的波长(在具有0.05西门子电导的介质中约1000米)的极小部分。因此，对比EM探测的波长，成像分辨率更加取决于采样频率。

[0047] 相反，本发明采用垂直指向钻井轴的空气线圈天线。此外，采用了宽带脉冲操作以及1米或以下测量间隔，特别是在流体注入和生产的地点附近。

[0048] 数据处理

[0049] 层析成像反演将在现场获取的数据转换为储层的图像。该处理的示例由Abubakar等人描述(德克萨斯州，休斯顿，2005年度会议“A fast and rigorous 2.5D inversion algorithm for cross-well electromagnetic data”,SEG Extended Abstracts，2005Annual Mtg.Houston,Texas)。该处理任务需要通常是病态且非唯一的全非线性反演散射问题的解。他们的方法采用有限差分码作为正演仿真器(forward simulator)，其中配置使用由最优网格技术所确定的少量单元来数字离散化。正演问题在每个反演步骤解决，LU分解方法被用于同时获取所有发射器的解。需注意在现有技术中基于粗糙矩形网格元来使用的有限差分方法对正演解引入了大量限制(简化)以便加速计算。

[0050] 在美国专利申请第5,373,443号中描述了略微不同的方法。所使用的该方法基于由纯正弦波驱动的螺线管(与钻井同轴)源并在具有另一螺线管(同样与钻井同轴)的远端钻井处记录磁场的幅度和相位。该测量(称为扩散场)被数学变换为波场，之后在源-接收器配对之间的信号速度从所述波场推测。这些“射线”被用作层析成像地构造井间区域的传导图。

[0051] 与之对比，本发明采用脉冲宽带EM源，接收的波形以时域记录。直接测量每个源-接收器配对的传播时间。傅里叶变换之后可选用于将接收到的信号分解为它们的各种频率分量并从而抽取作为频率函数的传播时间。由此变得可用的附加信息可用于在介质具有物质散布时改善反演速度图像-这是因为在射线追踪模型中不同频率分量具有不同的传播时间和衍射路径。

[0052] 此外，不同密度自适应(矩形)网格元被用在有限元模型中以产生正演解，类似于在COMSOL Multi-Physics中所使用的网格方法。该方法增加靠近源和接收器区域的网格密度。由于地质模型通常粗糙且成块状，所以至少使用双网格原理来产生关注区域的速度图像。

[0053] 根据本发明的目标是检测和监控所注入流体的路径。因此，作为另一改进/实施例，采用流线模型来估计所注入流体的路径和量。流线仿真器将3D块模型变换为若干等通量的流体路径。尽管路径本质上是3D的，但因为本质上是一维问题，所以它们可以单独求解，极大提升了计算效率。由于每个流线单独操作，所以它们还可以被看做是包括了所注入流体的总流量的准正交基组。

[0054] 使用初始地质模型和预注EM数据，可单独计算沿着每个流线所注入的流体的影响(在EM场和传播中变化)的前演解。可之后确定最符合所观测到的EM场和在流体注入一段时间之后所观测到的传播时间的这些分量的线性累加。结果可映射回原地质模型来更新作为时间函数的流体成分并表明在基本地质模型中的恰当的孔隙度和透过性变化。该方法因此采用与传统处理非常不同形式的三网格建模系统：用于地质模型的笛卡尔块、用于流体流量的流线和用于EM传输的各种矩形网格。

[0055] 对比度成像

[0056] 磁对比增强对所注入的流体提供了独特的信号。油、气、水、盐水和储层岩石通常具有基本为0的磁特性。本发明的另一方面采用所注入的流体来改变被该流体侵入的储层体积的磁特性。这可以通过将注入流体载入预制磁性纳米颗粒或当进入储层中时能随之反应以产生磁性材料的非磁性化学品来实施。

[0057] EM信号的群速单纯地取决于介质的介电常数和导磁率：ν＝(εμ)-1/2。因此，通过以具有μ＝10的流体注入到具有20％孔隙度的地层内，则该储层体积将具有有效导磁率2，穿过其的EM波的速度将减少约30％(1/1.414)。该时移是采用现代波形记录仪器可容易地检测到的。

[0058] 磁修正地质结构的瞬态极化&松弛

[0059] 本发明的另一方面涉及在注入了流体之后观测在储层中的磁性材料的延迟磁性瞬态响应。应当注意到磁性材料通道磁通量非常类似于良导体通道电场和电流。因此，本发明所采用的EM源的长脉冲性质磁性地极化EM源附近的储层修正区域。EM能量被转换且以静磁场的形式存储在储层的修正部分内。当脉冲结束时，磁场随着取决于该区域磁通量以及磁化区域尺寸的特征衰减(可能以共振方式)。该磁场可以在远端储层(在另一钻井内或在地表处)检测到，或者通过使用源天线作为接收器在回归到源钻井内检测到。

[0060] 如源区域中所观测到的一样，存储在修正区域内的总磁能量可从其B-场强和时间衰减特征推测。类似地，远端接收器将在与磁化储层体积的RLC时间常量相对应的频率上观测到显著提升的B-场强度。在某种意义上，修正的储层体积起到磁天线的作用，将假(apparent)EM源移近储层。给出储层中的指数衰减性质，注入前沿异常在接收器产生显著提升的信号强度。检测的该侵入异常是本发明的另一重要方面。

[0061] 本发明的另一方面包括在给定源位置使用一系列不同长度的磁脉冲。具有更深流体渗入的位置花费更长时间来完全磁化，渗入的深度可以从磁化该区域的时间以及如上所述的当源关闭时衰减时间的长度来推测。

[0062] 本发明的另一方面涉及从远端EM源(可能在另一钻井中或位于地面上)磁化被流体修正的储层体积。地面源极其便利，因为其可以任意移动，还因为去除了钻井几何约束，允许更大和更强的EM源。

[0063] 在操作中，如图8所示的基本井间配置与图2所描述的非常类似。EM脉冲在第一钻井124中所示出的多个TX位置122的每个处产生，EM脉冲在第二钻井128中所示出的多个RX位置126的每个处记录。该观测的矩阵被用作确定在每个TX-RX配对之间作为频率函数的传播时间和信号强度。反演在包括名义平行钻井配对的名义平面上产生EM速度的2D图像。在水侵岩石中的EM速度比在油侵岩石中慢4倍。磁修正注入流体或磁修正储层体积的EM速度可比水侵岩石中的略慢至慢几倍。传导性和磁通量一般趋向于使EM信号衰减，所以作为频率函数的信号幅度(或功率)表明了沿着连接给定TX-RX位置配对的线路的平均传导性或传导性和(磁)通量的乘积。该信息提供了与单纯群速度无关的另一约束并可在改善图像质量和精确度的反演期间使用。该处理应当在注入流体以捕获原始油气地层的状态和结构之前执行。该处理周期性地重复以对注入前沿的进展和/或作为时间函数的修正的储层容积进行成像。

[0064] 在本发明中所使用的宽带脉冲(全程直到0Hz，图4)的重要优点是确定从源到接收器的一些可检测的信号被获取，而无关介质的距离和传导性。还确定能够穿过距离并保持可检测的最高频率被产生和采样。本发明因此提供了在给定现场情况和配置中可能的最大化信号和分辨率(最短波长)。

[0065] 图8是根据本发明的示例EM勘探配置的示意图。基于具有火花隙触发器(可以是闸流管、晶闸管或类似的固态开关)的回路天线和由将地面组件与钻井内的发射器120相连接的长高压同轴电缆所组成的Blumlein发生器形成单纯脉冲源。使用典型50欧姆同轴电缆产生与电缆长度成比例的电流脉冲长度(每英尺电缆约1ns)。提供到放电和下游组件(例如，线圈天线)的功率通过多个参数来确定：每英尺同轴电缆的电容、群速度、特征阻抗和充电电压。电流主要受限于同轴电缆的特征阻抗，放电功率由V*I给出。使用透入深度和作为频率函数的EM信号的衰减度以及介质的传导性的典型关系，可以在使用传统组件观测到的可检测的信号上计算出合理范围。具有约-100dB探测范围的构造为探测线圈的回路天线被假定为在远端钻井128中的接收器125。在这种简单排列中的关键参数是充电电压和介质的传导性，这些因素确定在远端钻井128中容易检测到的最大频率。放电电压与同轴电压的平方成比例。对于每英尺30pF的典型电容，1000伏特充电电压产生约15，000瓦特的输出功率；10kV产生约1.5MW；100kV产生约0.15GW。根据不同频率和在以下表格I、II和III中详细列出的介质的平均传导性的范围对比功率的曲线图分别在图9A、图9B和图9C中描述。

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] 各种材料的标称传导性包括：无水石膏(图9A):0.00005S/m；侵油岩石(图9B)：0.005S/m；盐水侵岩石(图9C)：0.5S/m。海水的标称传导性是5S/m。图9A、图9B和图9C分别示出了采用在1Km外可检测到的频率操作的无水石膏、油侵岩石和盐水侵岩石的表格。

[0070] 在普遍出现的情况下(图10)，即，使用注入水或维持压强的外围水平注入井和在储层中其他地方的垂直生产井的组合，在注入井132中的EM TX阵列130和在生产井136中的RX阵列134如图10所示般的部署。不同于非平面样本量，操作细节与结合上面图8所描述的类似。图10的配置对于将在储层中产生地层140时油水界面线或流体前沿138随着时间的进展可视化有用。该信息对于优化储层管理非常重要。

[0071] 图11所示的配置提供了相比图8和图10的配置而改进的油水界面(或注水前沿)的规划，特别是对检测在超K区域或如148处所示的断裂走廊出现的注水前沿异常有用。在地面152上排列的EM TX阵列150和在水平注入井156中的RX阵列154如图11所示部署。垂直生产井在160示出。生产从两个储层162和164进行，每个分别具有如162a和164a处所示的流体前沿。图11中所示的配置可以方便地在具有多重生产范围的给定油气储层的情况下实施。

[0072] 图12所示的另一配置可以在只有如水平注入井170所表明的一个钻井可用于采集数据的情况下使用。井170包括一个或多个发射器172并且井170位于图12平面图中所示的油气储层174中。长宽度脉冲从井170中的发射器发射并被用作磁化所注入的流体和/或修正的储层体积，沿着包括发射器172的钻井170观测到磁瞬态。高通量异常(超K或断裂走廊175)可以由此通过预估存储在沿着钻井的如177所示的多个站点的每个站点的总磁能量来从单个钻井170检测。基于该预估的流体前沿在178处示意性示出。具有更多注入流体或更大修正储层体积的区域显示更大存储的能量，因此更高的剩余场强和更长的衰减时间。如果第二远端钻井如176处所示般的可用，RX站点也可以被部署且采集井间EM数据，类似于上面图8、图10和图11所描述的配置。

[0073] 本发明的简化小规模版本使用脉冲EM源和回路天线作为源和接收器在现场进行了测试。设备被配置为类似于图11的配置的模拟的井地配置，使用由负载水的磁性纳米颗粒所组成的小的约0.5米的虚拟件成功演示了自由传播的TEM波的传播时移。EM源包括50英尺长充电到约1000伏的50欧姆同轴电缆，1mm火花隙和直径10cm的与200pf电容器并联的3-环回路天线。这产生了具有上升时间约2ns的50ns的方波脉冲，与200Mhz正弦波叠加。接收器包括单纯的3-环回路天线，波形使用4GHz数字示波器来记录。在EM信号从埋设源穿过未修正的沉积物质、水侵虚拟件和磁性纳米流体侵虚拟件时，信号延迟(传播时间)横跨地面来映射。使用未修正的沉积物作为基线(“之前”信号)，符合水和磁性纳米流体的介电和磁特性的传播时延被容易地观测到。结果在图13中描述。

[0074] 从前面的实施例中可见本发明在储层环境中直接使所注入流体的路径可视化，同时产生在储层中的岩石和流体特征以及分布的更高分辨率的图像。

[0075] 本发明因此产生在油气储层中的关于空间分布和流体构成的信息。由于岩石和油气通常都具有低介电常数、低磁通量和低导电性，因此EM传播速率相对较高且井间或井地EM传播时间相对较短。因此，具有高介电常数的水如果含盐则具有高传导性，在传播时间图中产生高对比度。可以采用本发明来成像用来置换油气而注入的水，在一段注入之后，可以映射高通量路径和通过该注入的水的反演。在水已经注入很长一段时间的情况下，难以区分所注入的水和原始(原生)水。如所述的，通过使用磁性颗粒来“标签化”新注入的水，通过新注入的水带给被侵入区域磁通量这样的方式，可以区分新水和旧水。这是因为导磁率降低EM传播速度，从而在储层区域的EM速度图像中得到传播时间对比。

[0076] 本发明已被充分描述，因此本领域普通技术人员可以复现并获取在本文中所提及的结果。但是，本技术领域的普通技术人员根据此处的发明能够进行未在此处所要求的修改、应用这些修改到确定的结构或其制造过程中、要求所附权利要求中的请求主题；这类结构应当由本发明的范围所覆盖。

[0077] 应当注意到和认识到的是存在不脱离如所附权利要求所阐述的本发明的精神和范围的情况下对以上详细描述的本发明做出改进和修改。

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