井中雷达储层监测机理及方法研究

In oil production, early water breakthrough is a common phenomenon caused by reservoir heterogeneity.The newly developed smart well technology has potential to relieve this effect by adjusting inflow rates in each smart segment. However,the practicability of smart well optimization and control strategies is restricted by the downhole fluid monitoring techniques. We propose that ground penetrating radar(GPR), which is generally applied in near surface,can be installed in deep oil wells to monitor the movement of water-oil displacement front, and thus can provide enough reservoir information for smart well control. We analyze the propogation and reflection mechanism of high-frequency radar wave in reservoir environment based on the principle of electromagnetic propagation in mixed media to obtain the primary properties that affect radar wave propagation and reflection in reservoirs, such as work frequency and detection depth, and analyze the effect of electrical property contrast of water-oil contact on reflection coefficient. A joint numerical model is established by coupling borehole radar modeling with reservoir modeling. The interference of metal casing on EM wave is analyzed and the solution is proposed. Sensitivity analysis is numerically implemented to investigate the relation between reservoir parameters and GPR responses. A laboratory experiment is carried out using a sand box to testify the potential of GPR detecting water-oil displacement front in porous media.

油气开发过程中，储层介质的非均匀性等因素使得生产井早期见水。新近出现的智能井技术通过对分段井的流速进行调控可以缓解这种影响，从而提高油藏管理能力。然而智能井优化控制策略的实际应用受限于井下流体监测技术。本研究提出将通常应用在浅地表环境中的地质雷达用于深部油井中，对采油过程中油水前缘的流动进行动态监测，以对智能井采油优化控制提供储层变化信息。利用混合介质中的电磁传播理论对高频雷达波在储层中的传播和反射机理进行分析，研究井中雷达在储层中工作的最佳频率、最大传播距离等基本参数，分析储层油水界面两边电性参数差异对雷达波反射的影响；建立井中雷达和储层开发相耦合的"电磁-多相流"数值模型，分析金属井筒对电磁波的影响并提出解决方法，对影响井中雷达油水前缘探测的储层参数进行敏感性分析，以探寻两者之间的关联规律；采用砂槽实验进一步验证地质雷达对于孔隙介质中油水前缘运移的探测能力。

本项目提出将地质雷达安装在油气生产井上，利用高频电磁波在储层中传播来探测储层生产过程中油水界面的运移，以使智能井的防御式控制可以在油田生产中得到实际应用。研究内容和结论如下：（1）利用混合介质的电性公式对储层的介电常数和电导率的范围进行分类求取，采用电磁波的复传播公式对地质雷达工作的电磁波在储层介质环境中传播的损耗和相位畸变进行分析，找出适合地质雷达在储层进行有效工作的最佳频率为100-1000MHz ，理想的介质环境为电导率小于0.02 S/m；利用电磁波的反射公式对电磁波在油水界面的反射进行分析，发现当两个介质的电导率在差别不大时，反射系数主要取决于两个介质的介电常数；当两个介质的电导率差别很大时，两个介质的电导率对反射系数起主要影响；频率的变化对反射系数影响不大；雷达接收端应该采用TE模式。用雷达性能公式进行探测深度分析，发现介质的电导率影响雷达的探测深度，现有的雷达系统可探测10米的深度。（2）建立井中雷达储层探测的联合数值模型，利用混合介质的电性参数计算公式将储层数值模型计算出来的含水饱和度分布转换为介电常数和电导率的分布，以此作为井中雷达数值模型中的传播介质，实现储层模型和井中雷达模型的耦合。储层采油中油水前沿随着时间向前推移，将某一时刻的雷达响应减去前一时刻的雷达响应就可以得到油水界面距离井中雷达的位置。分析井筒金属腔体对电磁波的干涉，提出在井筒的槽内充入绝缘介质并合理设置雷达的放置位置，即可最大限度的消除金属腔的影响。（3）针对薄油层底水采油，进行井中雷达储层油水界面探测的二维横截剖面数值模拟和二维平行剖面数值模拟，以验证井中雷达的接收响应可以反映出开采过程中的油水界面位置；提出采用准同步的雷达工作方式，即相邻雷达之间工作时间间隔较短的时间，以避免相邻雷达之间的信号干扰；分析了雷达的排布间距和储层成像的空间分辨率之间的关系，雷达排布密集则成像的空间分辨率高；对影响雷达探测油水前水沿的关键参数进行敏感性分析，指出油水粘度比和相对渗透率比是影响雷达探测油水前沿能力的关键参数。（4）以薄油层底水驱油为例，基于井中雷达进行储层监测的可行性，提出一种Proactive智能井采油控制方法，并将其与传统水平井采油、常规分段井采油和ON/OFF模式的Reactive智能井采油进行比较，发现基于井中雷达的Proactive控制可以提高净产值，具有更大的经济优势。