Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований

Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к скважинной сейсморазведке и, в частности, к обнаружению сейсмических и микросейсмических проявлений при помощи оптоволоконных распределенных датчиков.

В нефтегазовой промышленности акустические приборы используются для оперативного получения важной информации о сейсмических проявлениях, возникающих на этапе разведки новых месторождений и на этапе добычи на существующих месторождениях. Данные скважинной сейсморазведки можно использовать для изучения геологического строения и уточнения данных наземной сейсморазведки. Кроме того, данные скважинной сейсморазведки можно собирать на постоянной основе или периодически, чтобы контролировать состояние толщи пород и резервуаров во время добычи из скважины. Сбор сейсмоданных на постоянной основе облегчает добычу из газовых или нефтяных залежей.

Как правило, скважинная сейсморазведка осуществляется путем регистрации сейсмических сигналов при помощи одного или группы сейсмоприемников, расположенных в скважине. Сейсмосигналы могут генерироваться одним или несколькими сейсмоисточниками, расположенными на поверхности земли, в скважине, в которой осуществляют регистрацию сигналов, в соседней скважине и (или) в пласте, окружающем скважину. Энергию сейсмоволн, генерируемую источником сейсмосигналов, можно регистрировать при помощи сейсмодатчиков различного типа, например гидрофонов, геофонов, акселерометров или их комбинации. Обычно такие датчики объединяют с электрическими компонентами в скважине, которые усиливают и оцифровывают электрические сигналы, генерируемые датчиками в ответ на обнаружение сейсмического события. Затем цифровые сигналы можно передать дальше (например, по электропроводу, оптоволоконному кабелю, при помощи телеметрии по гидроимпульсному каналу связи и т.п.). Необходимость использования электронной аппаратуры в скважине приводит к увеличению размеров и стоимости, а также к усложнению оборудования для каротажа, особенно с учетом того, что электронная аппаратура должна быть устойчива к воздействиям высокой температуры и давления внутри скважины в течение длительного времени или защищена от таких воздействий.

Например, в патентной заявке США №10/104320, озаглавленной «Метод и прибор для скважинных измерений», описан стандартный прибор для скважинной разведки.

Сейсмические и микросейсмические сигналы, распространяющиеся сквозь толщу пород, можно обнаружить при помощи оптоволоконных распределенных датчиков вибрации, расположенных в скважине. Небольшой диаметр оптоволокна позволяет поместить оптоволоконный распределенный датчик внутри колонны НКТ или бурильной колонны либо за ними. Кроме того, оптоволоконная система регистрации сейсмосигналов не требует дорогостоящей скважинной электроники. Вместо этого все электронное оборудование, необходимое для сбора сейсмоданных с оптоволоконного датчика, может быть размещено разместить на поверхности. Оптоволоконные системы для измерения сейсмосигналов описаны, например, в патенте США 8605542 или в патентной заявке США 20140064028. Одним из недостатков этих систем среди прочих является ограничение сбора векторных сигналов в связи с использованием ненаправленных систем измерения таких сигналов.

Предлагаемый прибор для скважинной сейсморазведки обеспечивает усовершенствованные характеристики измерений, выполняемых системой сбора данных, по сравнению с существующими приборами. Выбранные частоты усиливаются, обеспечивая более высокое соотношение сигнала к шуму. Простота конструкции позволяет легко увеличить количество групп приемников. Данное ограничение присуще существующим системам и связано с весом, каналами связи и т.п. Обеспечивается ускорение сбора данных и одновременно уменьшение трубной волны за счет фильтрации скоростей, благодаря чему данный прибор может стать предпочтительной альтернативой геофонам прижимного типа.

Один из вариантов осуществления изобретения представляет собой оптоволоконный датчик для скважинной сейсморазведки, который содержит оптоволоконный кабель, опускаемый в скважину, и по меньшей мере одну группу резонаторов, расположенную на оптоволоконном кабеле; все группы резонаторов содержат по меньшей мере один активный элемент, имеющий собственную резонансную частоту в диапазоне частот измеряемых сейсмоволн.

Активные элементы каждой группы резонаторов могут представлять собой диски, сферы или цилиндры.

Активные элементы каждой группы резонаторов могут быть изготовлены из пьезокерамики.

В некоторых вариантах конструкций, группы резонаторов размещают в затворах; каждый затвор содержит по меньшей мере одну группу резонаторов.

Некоторые варианты осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами позиций. Следует понимать, что прилагаемые чертежи только иллюстрируют различные варианты реализации изобретения, описываемые в данном документе, и не подразумевают ограничения объема применения описанных здесь различных технологий.

На Фиг. 1a изображена группа резонаторов с активными элементами в виде дисков в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

На Фиг. 1b изображена группа резонаторов с активными элементами в виде цилиндров в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

На Фиг. 1c изображена группа резонаторов с активными элементами в виде сфер в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

На Фиг. 2 изображена блок-схема примерной системы запросов и сбора данных для получения информации от оптоволоконного сейсмодатчика, размещаемого в скважине, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.

Настоящее изобретение представляет собой скважинный оптоволоконный контактный датчик для измерения сейсмических и микросейсмических проявлений в скважине.

Как показано на фиг. 1a, 1b и 1c, прибор содержит оптоволоконный кабель 1, опускаемый в скважину, и одну группу датчиков, расположенную на оптоволоконном кабеле 1; группа датчиков содержит по меньшей мере один активный элемент (резонатор) 2. Материал, форма и конструкция активного элемента 2 могут быть разными. Например, активные элементы могут быть выполнены в форме дисков, цилиндров или сфер, как показано на фиг. 1 a, b и c. Группа на фиг. 1a и 1b содержит пять активных элементов, а группа на фиг. 1c - четыре активных элемента. Размеры и количество активных элементов могут меняться в зависимости от частот, которые необходимо измерять, и используемых материалов. Эти активные элементы имеют собственные специально рассчитанные частоты в диапазоне измеряемых сейсмических и микросейсмических волн. Активные элементы могут быть изготовлены из пьезокерамики, кварца и т.п.

Сейсмоисточник генерирует сейсмоволны, которые при приближении к группе резонаторов вызывают колебания каждого активного элемента 2 на его собственной частоте 3. Резонансные колебания активных элементов 2 вызывают напряжение в оптоволоконном кабеле 1, на котором они установлены. Это приводит к сдвигу отражаемой световой волны, распространяющейся в оптоволоконном кабеле 1. Его можно измерить и сопоставить с величиной напряжения и вибрации. Все активные элементы 2 обладают высокой чувствительностью к изменениям напряжения на определенном участке оптоволоконного кабеля в точке, где установлен датчик для конкретной частоты. Группа таких активных элементов 2 может охватывать любую полосу измеряемых частот. Также каждый активный элемент 2 действует как местный фильтр и усилитель сигнала.

Группы резонаторов можно разместить в затворах (не показано); каждый затвор содержит по меньшей мере одну группу резонаторов для получения необходимой конфигурации, оптимальной для каждого сейсмоисследования, например вертикального сейсмопрофилирования (ВСП), микросейсмических исследований и т.п.

Можно использовать любую оптоволоконную систему запросов. На фиг. 2 представлен пример выполнения системы запросов и сбора данных 6, который можно использовать для выполнения измерений при помощи оптоволоконного контактного сейсмодатчика 8. Система 6 состоит из источника 9 оптического излучения, который генерирует оптический сигнал, например оптический импульс, для направления запроса на оптоволоконный датчик 8, расположенный в скважине (не показана на Фиг. 2); датчик состоит из N затворов 7, каждый из которых включает группы активных элементов 2. В некоторых вариантах осуществления источник 9 оптического излучения может содержать узкополосный лазер и модулятор, который выбирает короткие импульсы из выходных сигналов лазера. При желании оптический усилитель можно использовать для увеличения максимальной мощности импульсов. В некоторых вариантах реализации этот усилитель можно размещать после модулятора. После модулятора также можно установить фильтр для фильтрации в диапазоне частот (при помощи полосного фильтра) и (или) во временном интервале (при помощи дополнительного модулятора).

Импульсы, излучаемые источником 9 оптического излучения, могут быть направлены на оптоволоконный датчик 8 через направленный ответвитель 10, который разделяет исходящие и приходящие сигналы и направляет последние на оптический детектор 4. Направленный ответвитель 10 может быть выполнен в виде объемного оптического элемента, использующего светоделитель, или может содержать оптоволоконный соединитель, циркулятор или быстродействующий переключатель (например, электрооптический или опто-акустический).

Обратно-рассеянный оптический сигнал, возвращающийся с оптоволоконного датчика 8 в ответ на импульсы запросов, может быть обнаружен и преобразован в электрический сигнал на детекторе 4. Детектор 4 может включать любой подходящий компонент, выполненный с возможностью преобразования световых сигналов, получаемых с направленного ответвителя 10, в электрический сигнал, пригодный для обработки. Данный электросигнал может быть передан на модуль 5 обработки сигналов, который может включать любое подходящее устройство для обработки сигналов (например, микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровой обработки сигналов, компьютер и т.п.), сконфигурированное для обработки данных, получаемых с датчиков.

Система может включать контроллер 11; это может быть любая подходящая аппаратура для обработки данных, выполненная с возможностью генерации сигналов для управления источником 9 оптического излучения и для обработки сигналов, получаемых с детектора 4. Это стандартная схема для традиционных оптоволоконных измерительных систем.

В примерах вариантов осуществления изобретения оптоволоконный сейсмодатчик может быть опущен в скважину с использованием хорошо известных методов спуска кабеля в скважины, например, на контрольной линии, содержащей оптоволоконный кабель, или на гибких НКТ, содержащих оптоволоконный кабель, или на каротажном кабеле с интегрированным оптоволокном и другими методами. В некоторых вариантах осуществления изобретения группы датчиков размещаются на постоянной основе для непрерывного контроля за эксплуатационной скважиной. Как только датчик установлен в заданном положении, можно активировать виброустройство или другой источник сейсмических сигналов.

Для контроля сейсмосигналов оптические импульсы направляют на оптоволоконный датчик, и отраженный или рассеянный световой сигнал, генерируемый в ответ на импульсы, регистрируется в течение продолжительного периода времени. Отраженный свет, генерируемый в то время, когда сейсмоволны, возникающие за пределами скважины, проходят вдоль оптоволоконного распределенного датчика, может предоставить информацию о характеристиках пород, окружающих скважину, в том числе об изменениях в этих характеристиках с течением времени. Такие характеристики могут включать следующие данные: распространение, геометрия и неоднородность коллектора, а также характер насыщенности и поровое давление пласта, механические свойства пород, результаты применения методов повышения нефтеотдачи, результаты применения секвестрации CO₂, параметры упругой анизотропии, геометрия искусственно образованных трещин и пространственная ориентация и интенсивность природных трещин.

В данном описании представлены различные варианты осуществления устройства для регистрации данных скважинной сейсморазведки в соответствии с настоящим изобретением и иллюстрации к ним. Несмотря на то что здесь содержится описание конкретных вариантов осуществления изобретения, это не означает, что изобретение ограничено только этими вариантами. Для специалистов в данной области будет совершенно очевидно, что в описанное здесь изобретение могут быть внесены различные изменения и модификации без отступления от сути изобретения и объема прилагаемых пунктов формулы изобретения.

1. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований, содержащий:

оптоволоконный кабель, опускаемый в скважину, и

по меньшей мере одну группу резонаторов, расположенную на оптоволоконном кабеле, при этом каждая группа содержит по меньшей мере один активный элемент, имеющий собственную резонансную частоту в диапазоне частот измеряемых сейсмоволн.

2. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований по п. 1, в котором активные элементы каждой группы резонаторов представляют собой диски.

3. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований по п. 1, в котором активные элементы каждой группы резонаторов представляют собой сферы.

4. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований по п. 1, в котором активные элементы каждой группы резонаторов представляют собой цилиндры.

5. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований по п. 1, в котором активные элементы каждой группы резонаторов изготовлены из пьезокерамики.

6. Оптоволоконный датчик для скважинных сейсмических исследований по п. 1, в котором группы резонаторов размещают в затворах; каждый затвор включает как минимум одну группу резонаторов.