專利名稱：檢測地層流體泄漏的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
..
本發(fā)明涉及一種檢測自地面延伸以穿透含有流體的地層的封堵井 的流體泄漏的方法。
背景技術(shù)：
近年來越來越注意到使被認為是大氣污染物的氣體和液體(流體) 朝大氣中的釋放最小化。這樣的流體可以包含與水溶液或烴溶液、烴、 污染的水、空氣傳播的粒子等一起或在其中的氣體如二氧化碳、輕質(zhì) 烴類、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、鹵素等。許多這樣的物質(zhì)天然 地存在或在烴生產(chǎn)、不需要的流體的處理等的過程中被注入到地層中。 當(dāng)完成所述生產(chǎn)或處理操作時，用來穿透這些地層的井通常用水泥封 堵以防止作為穿透地層的井的泄漏物的這些流體釋放到空氣、上覆的 含水層等中。
從所述井作為二氧化碳注入井/處理井的應(yīng)用、所述井作為注入井 或生產(chǎn)井用于二氧化碳增強的油回收過程的應(yīng)用等可知，作為原地天 然存在二氧化碳的結(jié)果，這樣的地層可能含有密度小于1 (一)的二氧 化碳。希望隔離含有二氧化碳的地層使得所述二氧化碳不流到大氣中 的原因有許多。最通常使用的隔離這些地層的技術(shù)是將穿透所述含有 二氧化碳的地層的井封堵。最通常用水泥封堵所述井來實現(xiàn)。
持續(xù)受到關(guān)注的是，水泥封堵或其它封堵材料是否完全封堵所述 井和它是否持續(xù)阻擋流體如二氧化碳通過井向上流到大氣中。如果發(fā) 生泄漏，泄漏到大氣中的源頭可以穿過所述水泥封堵或位于其周圍，
所述水泥封堵將套管膠結(jié)在井眼中的適當(dāng)位置處；或可以穿過套管內(nèi) 的水泥封堵或位于其周圍，所述套管通常用于自地面包覆該井到或穿
過一層或多層所述含有二氧化碳的地層。長時間地微量流體泄漏可以 浸蝕用來密封所述井的水泥，并產(chǎn)生更大的泄漏。
過去許多技術(shù)已經(jīng)用于二氧化碳測定。這些技術(shù)包括用于檢測在 流動氣流中二氧化碳的近紅外或其它光吸收技術(shù)等。但是，這些技術(shù) 對于檢測連續(xù)釋放的很微量二氧化碳無效。因此，長期以來一直尋找 檢測封堵井流體泄漏的改進方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種通過對地層上方的位于封堵井中的收集室進行測 井，從而檢測含有流體的地層的流體泄漏的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種通過以下步驟檢測自地面向下延伸并穿透 含流體的地層的封堵井的流體泄漏的方法在所述含流體的地層上方 形成橫跨所述封堵井的橫截面的收集室；密封地定位管道，使該管道 延伸穿過所述收集室并到達地面；使流體檢測設(shè)備穿過所述管道和至
少部分地穿過所述收集室以檢測在所述收集室中的流體。
本發(fā)明進一步包括一種檢測自地面延伸并穿透含有流體的地層的 封堵井的流體泄漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延 伸穿過不可滲透區(qū)、并由位于所述套管外側(cè)與所述井眼內(nèi)側(cè)之間的環(huán)
狀空間中的水泥膠結(jié)在所述井眼中，所述方法包括在所述含有流體 的地層上方，形成與所述套管內(nèi)側(cè)和環(huán)狀空間中的水泥保持流體連通 的收集室；密封地定位管道，使該管道延伸穿過所述收集室并到達地 面；使流體檢測設(shè)備穿過所述管道和至少部分地穿過所述收集室以檢 測在所述收集室中的流體。
本發(fā)明還包括一種檢測自地面向下延伸并穿透含流體的地層的封 堵井的流體泄漏的方法，所述方法包括在所述含流體的地層上方橫 跨所述封堵井的橫截面形成收集室；定位蓋構(gòu)件，使該蓋構(gòu)件橫跨所 述收集室的上端；密封地定位管道，使該管道自地面延伸以有效地嚙 合所述蓋構(gòu)件；和使流體檢測設(shè)備穿過在所述蓋構(gòu)件上方的管道以檢 測在所述收集室中的流體。
在這些實施方案的每一個中，二氧化碳可以是所關(guān)注的主要流體。


圖1是自地面延伸穿過地下含有流體的地層并包括根據(jù)本發(fā)明的 收集區(qū)的井眼的示意圖2和圖3是對穿透含流體的地層的井的封堵方法的備選示意實 施方案；
圖4是本發(fā)明的備選實施方案的示意圖； 圖5是本發(fā)明的另一個實施方案的示意圖； 圖6是本發(fā)明的另一個實施方案的示意圖；和 圖7是本發(fā)明的另一個實施方案的示意圖。
本發(fā)明的詳細說明
在

中，始終使用相同標(biāo)號指代相同或類似部件。
盡管本發(fā)明可以檢測許多流體的泄漏，但是二氧化碳是特別關(guān)注 的污染物。因此，盡管本發(fā)明不局限于檢測二氧化碳泄漏，但是，除 非另外指出，本發(fā)明將參照二氧化碳進行論述。
圖1中示出了井10，井IO包含自地面14延伸穿過覆蓋層16并 穿透含二氧化碳的地層18的井眼12。井10包括套管20，套管20被 水泥22膠結(jié)在合適位置且可被用來從地層18產(chǎn)生流體。在圖1中， 所述套管延伸至井眼12的底部30附近并在所述套管的下端32終止。 通常，從地層18回收的流體可以包含單獨的烴、與含水流體組合的烴、 烴氣體、二氧化碳、硫化氫、硫氧化物等。或者，可以使用井10將二 氧化碳、水性表面活性劑等注入到地層18中用于回收烴等。或者，二
氧化碳或其它流體可以被注入到地層18中用于處理所述二氧化碳或其 它流體至選定的限值。
如圖1所示，已經(jīng)將井IO封堵以防止二氧化碳從地層18溢出。 如所示，通常通過將套管定位在所述井眼中和此后將水泥注入到套管 20的外側(cè)28與井眼12的內(nèi)側(cè)26之間的環(huán)狀空間24中，從而使用水 泥22將套管20定位在井眼12中。該水泥理想地填充在套管20的外 側(cè)28與井眼12的內(nèi)側(cè)26之間的環(huán)狀空間24中。以該水泥定位的目 的是防止流體在套管外側(cè)28與井眼內(nèi)側(cè)26之間移動。如所示，在地 層18中通過穿孔34給井10穿孔，從而在使用井10時允許流體流到 地層18中或從其流出。
如所示，已經(jīng)將井10用水泥22封堵至水泥層的頂部58，水泥層 終止在橫跨井眼12的橫截面形成的收集室3S。將所述收集室定位成收 集可能從地層18向上流動穿過套管20內(nèi)的水泥22或沿環(huán)狀空間24 向上流的二氧化碳或其它流體。使這些流體累積在收集室38中，并定 期測試所述收集室以確定流體是否已經(jīng)移動到收集室38中。通過在環(huán) 狀空間24中和在套管20的內(nèi)側(cè)42與管道40的外側(cè)44之間的第二環(huán) 狀空間60中的另外水泥在收集室38上方密封井10，管道40被定位成 從地面14向下穿過井10、穿過收集室38，并延伸到收集室38下方的 選定距離36處。管道40在該管道的下端46處終止。
通過本方法的操作，經(jīng)過選定的時間將可以穿過井10向上遷移的 任何流體收集在收集室38中。此后，使流體檢測設(shè)備向下穿過管道40 和穿過收集室38。收集室38下方的空間36理想地允許操作所述流體 檢測設(shè)備。二氧化碳(流體)檢測設(shè)備可以是許多測井工具，如脈沖 中子測井工具，中子測井工具，聲波測井工具，具有電線、存儲器、 井下電池、纖維光學(xué)、無線電傳送、壓力傳感、溫度或其它數(shù)據(jù)傳送 系統(tǒng)的電阻率測井工具中的一種。這樣的系統(tǒng)和工具被認為能夠檢測 在收集室38中二氧化碳或其它流體的存在，尤其當(dāng)使用在室如收集室
38中已知的二氧化碳濃度進行校正時?？梢允褂眠@些系統(tǒng)的一些或本 領(lǐng)域知道的其它系統(tǒng)檢測二氧化碳外的流體的存在和任選地檢測流體 的組成。由于如果在所述收集室上方的水泥不能有效地包含流體，任 何流體從所述井向上泄漏通常需要補救，所以關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是能檢測在所 述收集室中任何流體的存在的能力，而不管其組成如何。
理想地，收集室38包括理想地具有不同于構(gòu)成地層18的物質(zhì)的 組成的粒子物質(zhì)如砂子、礫石等(未顯示出)。當(dāng)測井儀向上和向下 穿過管道40時，這能使測井工具更精確地檢測包含所述收集室的區(qū)域。 用這些技術(shù)可以檢測二氧化碳或其它流體的存在。由于收集室38被所 述收集室上方的水泥密封，所以所述收集室通過濃縮收集室38中任何 收集的流體而精確地收集向上移動穿過井10的任何二氧化碳或其它流 體。在室38中使用粒子物質(zhì)還方便測井工具的校正，以檢測與使用的 具體粒子物質(zhì)組合的二氧化碳。所使用的粒子物質(zhì)可以寬范圍地變化， 如本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的那樣。
在圖2和3中，顯示了用于封堵地層18的備選方法。在圖2中， 地層18是穿過地層18的裸眼完井，并已經(jīng)通過在裸眼區(qū)域以及該裸 眼區(qū)域上方的套管中放置水泥而被封堵。如上面討論的，己經(jīng)使用水 泥封閉環(huán)狀空間24。
在圖3中，在地層18上已經(jīng)設(shè)置有套筒48，然后將水泥定位在 套筒48后面以封閉地層18，然后將水泥定位在套筒48和套管20內(nèi)。 如上面討論的，事先通常已經(jīng)用水泥堵塞環(huán)狀空間24。多種封堵完井 被認為對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，并且所有封堵完井都適合用 在本發(fā)明的方法中。
在圖4中，顯示了形成收集室38的備選方法，其中所述收集室位 于被定位在覆蓋層16中的不可滲透地層50中。通過使用該地層，可 以設(shè)置穿孔52穿過套管20并延伸到不產(chǎn)生流體的地層50中。所述穿
孔給從地層18穿過環(huán)狀空間24向上移動的任何流體提供流路。類似 地，穿過在套管20內(nèi)的水泥向上移動的流體也累積在收集室38中， 并如前面討論的通過在管道40中使用測井工具而被測定。理想地，通 過使用制造的橫跨管道40的下端46的密封構(gòu)件或通過將所述下端46 定位在套管20內(nèi)的水泥中，從而密封管道40的下端46。以與圖1的 相同方式完成圖4的二氧化碳檢測。圖4的另一個差別是使用封隔器 54和56將收集區(qū)38上方的井10中的水泥進行定位，如本領(lǐng)域技術(shù)人 員知道的。
在圖5中，顯示了本發(fā)明的另一個實施方案，其中在收集室38上 方和下方使用封隔器62和64將水泥定位。使用用于該目的的封隔器 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的，并且如結(jié)合圖1所討論的，在收集
室38中檢測二氧化碳。圖5顯示了在沒有套管的井中本發(fā)明的方法的 應(yīng)用。
在圖6中，顯示了本發(fā)明的備選實施方案，其中橫跨井10的橫截 面將收集室38定位。收集室38包括漏斗或蓋構(gòu)件66，其被定位成使 得在收集室38中收集的較輕組分升至漏斗66的頂部。將漏斗66在其 頂端封閉，并與管道44嚙合地操作，使得在收集室38中捕獲的流體 的測井通過管道44的底部和漏斗66的頂部來實現(xiàn)。
在圖7中，顯示了再一個實施方案，其中將收集室定位在所述套 管外側(cè)和所述井眼內(nèi)側(cè)之間。在該實施方案中，通過鉆削等穿透所述 套管和在所述井眼中套管周圍的水泥，從而形成空穴，由此產(chǎn)生收集 室38。然后通過定位套筒68，從所述套管內(nèi)側(cè)密封地分離所述收集室， 從而完成所述收集室，套筒68可以是任何合適的套筒材料、可膨脹的 套管材料等。然后所述室收集氣體、其它輕質(zhì)蒸汽、或可以穿過封閉 所述套管外側(cè)和所述井眼內(nèi)側(cè)之間的環(huán)狀空間的水泥而上升的流體。 通過使測井工具向下通過所述套管并穿過所述收集室的區(qū)域以確定二 氧化碳是否收集在收集室中，可容易地檢測二氧化碳的存在。
在圖7的實施方案中，在用穿過所述套管定位并延伸至地層18附 近的管道在所述收集室中收集流體時，可產(chǎn)生出所述井。可以根據(jù)需 要移除去所述管道以使測井工具穿過所述套管以確定流體是否收集在
室38中。然后可以繼續(xù)通過管道的生產(chǎn)或注入，或者，當(dāng)因生產(chǎn)或注 入原因而適宜地去除所述管道時，可以對室38進行二氧化碳或其它流 體的試驗。在任何情況中，該實施方案使得能檢測可以從含有流體的 地層穿過在所述套管外側(cè)與所述井眼內(nèi)側(cè)之間的環(huán)狀空間溢出的流 體。應(yīng)理解的是，在這個和其它實施方案中，不僅可以用井穿透含流 體的地層18，而且可以用井穿透產(chǎn)生烴或其它物質(zhì)或向其注入其它物 質(zhì)的其它地層。換句話說，所述含流體的地層可以位于向其注入流體 或從其產(chǎn)生流體的地層的上方、下方或之間。這樣的地層特征對本領(lǐng) 域的技術(shù)人員是熟知的。考慮到目前對大氣中二氧化碳的擔(dān)心，因而 能確定二氧化碳是否正從含二氧化碳的地層通過所述環(huán)狀空間或通過 如上述被封堵的井泄漏到大氣中將是理想的。
為了檢測封堵井的泄漏，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)置許多配置。在 這樣的實施方案中，有必要將收集室定位成阻斷流體從地層18穿過井 10向上泄漏的所有源。然后通過使用測井系統(tǒng)穿過管道40或穿過管道 40的末端44檢測這些流體。測井技術(shù)例如在油井中通常使用的那些技 術(shù)對于穿過管道44的測井是有效的。在所述收集室中存在粒子物質(zhì)能 使所述粒子物質(zhì)可用于產(chǎn)生對在所述收集室中的粒子物質(zhì)獨特的信
另外，可以對所述物質(zhì)進行選擇，以在一定程度上充當(dāng)穿過井10 向上產(chǎn)生的流體的吸附劑。如果不懷疑和檢測大泄漏，則預(yù)期幾乎不 會進行向上穿過井IO的流體的測井檢測。所述收集室的應(yīng)用允許使用 測井技術(shù)以確定是否發(fā)生泄漏和確定泄漏隨時間的大小。
如上面討論的，如本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，典型的井可以是完全
的裸眼井，即沒有套管，和通過管道產(chǎn)生裸眼，或者其它方式。具有 套管的完井相對而言幾乎沒有這樣的完井，并且特別地，更經(jīng)常使用 至少部分套管的完井。本發(fā)明的方法對每種類型的井都有用，并且要 求在流體從地層18向上遷移的流路上橫跨井的橫截面定位收集室。如 本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，可以使用多種配置。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員用例如兩相膠結(jié)、礫石填充、封隔器、外套管封隔器和許多其它已 知的膠結(jié)和完井技術(shù)，可容易地實現(xiàn)上面討論的配置的完井。
為在井中形成收集室選擇的具體方法不被認為構(gòu)成本發(fā)明的一部 分，該部分旨在在確定流體是否從在所述收集室下的含有流體的地層 溢出中使用所述收集室。
盡管主要強調(diào)基于關(guān)注地球變暖而具有相當(dāng)興趣的二氧化碳泄漏 檢測討論了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明對于檢測流體向上穿過井套管 內(nèi)側(cè)或所述套管外側(cè)與所述井眼內(nèi)側(cè)之間的套管外側(cè)的水泥的遷移同 樣有用。可以檢測并可以從地層向上遷移的流體包括如下物質(zhì)，例如 氣體，如輕質(zhì)烴、二氧化碳、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、鹵素等， 其單獨地或在水性溶液或烴溶液中。其它烴、可以懸浮在流體中的粒 子等也可以通過這些區(qū)域向上遷移。也可以包括許多其它污染物，一 般地，本發(fā)明對檢測任何這樣的可以收集在水泥空隙中的物質(zhì)的遷移 都是有效的。
用已知的油田測井技術(shù)，如上文所討論，可以確定這些物質(zhì)的組 成，特別是關(guān)于二氧化碳?？赡懿⒉荒茉谒星闆r中都能區(qū)分如硫化 氫與二氧化碳或甲烷與二氧化碳等物質(zhì)。但是，本發(fā)明的主要目的是 檢測任何流體從地層的遷移。如果任何流體從所述地層向上遷移，則 地面的潛在問題是是否發(fā)生流體泄漏。明顯地，如果烴、水(如果從 地層泄漏通常是鹽水)、前面提及的任何氣態(tài)組分等從井眼溢到地面 上，則它們會造成環(huán)境問題。檢測任何這些流體的泄漏是關(guān)注和修井 或補救注意的原因。如果可以明確地確定在所述收集區(qū)上方的水泥正
防止這些流體遷移到地面，那么可以不需要進行補救修井。但是，如 果流體已經(jīng)穿過所述水泥向上遷移到所述收集室的水平，則清楚地警 告可能必須補救工作以防止流體從所述地層遷移到地面。
本發(fā)明對于檢測這樣的流體泄漏是可操作的，并且在許多情況下 可以允許檢測所述流體的組成，但是在所有情況下對檢測流體的存在 都是可操作的。盡管可能更希望知道溢出流體的組成，但是最重要的 是實現(xiàn)泄漏流體的檢測。
泄漏流體的組成的檢測可以確定哪個地層正泄漏流體等。但在其 它情況下， 一旦已經(jīng)確定流體正在累積，那么該流體的組成可能是無 關(guān)緊要的。
盡管已經(jīng)參考一些優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但是要指出描述 的實施方案是說明性的，而不是限制性質(zhì)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有 許多變化和修改?；趦?yōu)選實施方案的前述說明的評論，許多這樣的 變化和修改可以認為是明顯的，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所希望的。
權(quán)利要求
1.一種檢測自地面向下延伸并穿透含流體的地層的封堵井的流體泄漏的方法，所述方法包括a)在所述含流體的地層上方形成橫跨所述封堵井的橫截面的收集室；b)密封地定位管道，使該管道延伸穿過所述收集室并到達地面；和c)使流體檢測設(shè)備穿過所述管道和至少部分穿過所述收集室以檢測在所述收集室中的流體。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述井包括井眼，所述井眼中 含有自地面延伸穿過所述含流體的地層的套管。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將所述套管用水泥膠結(jié)在所述 井眼中的適當(dāng)位置。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中已經(jīng)通過用水泥填充在所述含 流體的地層上方的至少一部分套管而封堵所述井。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中將在所述套管內(nèi)側(cè)與所述管道 外側(cè)之間的至少 一 部分環(huán)狀空間用水泥密封。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述設(shè)備是能穿過所述管道檢 測在所述收集室中的流體的測井系統(tǒng)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述流體包含二氧化碳。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述設(shè)備包含脈沖中子測井系 統(tǒng)、中子測井系統(tǒng)、聲波測井系統(tǒng)和電阻率測井系統(tǒng)中的至少一種。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述被封堵的井是裸眼井。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述收集室含有粒子物質(zhì)。
11. 一種檢測自地面延伸并穿透含有流體的地層的封堵井的流體 泄漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延伸穿過不可滲 透區(qū)并由定位在所述套管外側(cè)與所述井眼內(nèi)側(cè)之間的環(huán)狀空間中的水泥膠結(jié)在所述井眼中，所述方法包括a) 在所述含流體的地層上方形成與所述套管內(nèi)側(cè)和環(huán)狀空間中的 水泥保持流體連通的收集室；b) 密封地定位管道，使該管道延伸穿過所述收集室并到達地面；和c) 使流體檢測設(shè)備穿過所述管道和至少部分地穿過所述收集室以 檢測在所述收集室中的流體。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中將所述套管和在所述套管的 外側(cè)與所述井眼的內(nèi)側(cè)之間的環(huán)狀空間中的水泥穿孔，以提供從所述 環(huán)狀空間到所述收集室的流體連通。
13. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中已經(jīng)通過用水泥填充在所述 含流體的地層上方的至少一部分套管而封堵所述井。
14. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述設(shè)備是能穿過所述管道 檢測在所述收集室中的流體的測井系統(tǒng)。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述流體包含二氧化碳。
16. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述設(shè)備包含脈沖中子測井 系統(tǒng)、中子測井系統(tǒng)、聲波測井系統(tǒng)和電阻率測井系統(tǒng)中的至少一種。
17. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述收集室含有粒子物質(zhì)。
18. —種檢測自地面向下延伸并穿透含流體的地層的封堵井的流 體泄漏的方法，所述方法包括a) 在所述含流體的地層上方形成橫跨所述封堵井的橫截面的收集室；b) 定位蓋構(gòu)件，使該蓋構(gòu)件橫跨所述收集室的上端；C)密封地定位管道，使該管道自地面延伸以有效地嚙合所述蓋構(gòu) 件；禾口d)使流體檢測設(shè)備穿過所述管道并與所述蓋構(gòu)件有效地嚙合以檢 測在所述收集室中的流體。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述井是套管井。
20. 如權(quán)利要求1S所述的方法，其中所述收集室含有粒子物質(zhì)。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述流體包含二氧化碳。
22. —種檢測自地面延伸并穿透含流體的地層的封堵井的流體泄 漏的方法，所述井包括含有套管的井眼，所述套管延伸穿過不可滲透 區(qū)并由定位在所述套管外側(cè)與所述井眼內(nèi)側(cè)之間的環(huán)狀空間中的水泥 膠結(jié)在所述井眼中，所述方法包括a) 在所述含有流體的地層上方的環(huán)狀空間中形成收集室；和b) 使流體檢測設(shè)備穿過所述套管和至少部分地穿過所述收集室以 檢測在所述收集室中的流體。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述流體包含二氧化碳。
24. —種檢測含有流體的地層的流體泄漏的方法，所述方法通過 對在所述地層上方定位于所述封堵井中的收集室進行測井而實現(xiàn)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述流體包含二氧化碳。
全文摘要
一種檢測自地面延伸并穿透含有流體的地層的封堵井的流體泄漏的方法，其通過對定位在所述封堵井中的收集室進行測井而實現(xiàn)。
文檔編號E21B47/10GK101184905SQ200680018191
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者查爾斯·A·克里斯托弗, 雷·維德林斯基 申請人:Bp北美公司