用于监视隔离系统完整性的无线传感器的设备和方法 技术领域 本发明涉及用于监视隔离系统完整性的无线传感器的设备和方法， 该隔离系统例 如是温室气体封存过程中使用或采用的系统。
背景技术 近来关于环境和全球变暖的关注正引起对可持续能源方案同时降低排放的期望 和需要。全球变暖与温室气体有关。温室气体大致包括大气中吸收和发射在热红外范围内 的辐射的气体， 例如二氧化碳、 甲烷、 硫化氢、 氧化亚氮、 臭氧、 含氯氟烃 (CFC) 和 / 或类似 物。发电厂和其他能源转换设备往往是排放到大气中的温室气体的主要来源。
已经提出或开发了若干可能的解决方案和替代方案以减缓或扭转全球变暖。 碳捕 获和储存或封存旨在降低排放， 例如通过将二氧化碳或其他温室气体放置进地质岩系构造 中。合适的地质岩系构造通常具有低渗透性的覆盖岩层， 其可捕获温室气体并防止其转移 到地下饮用水源、 地表和 / 或大气中。精心设计的封存系统即使在注入停止后也能保持工
程钻孔以及相邻天然覆盖岩层密封的密封完整性。
将废液注入合适的地质岩系构造已经施行多年， 例如用深井注入设备处置有害废 物。将废液深井注入进不透水岩石或粘土下的岩层中。
Ciglenec 等人的美国专利 6,766,854 公开了一种井眼传感器设备和方法， 其中该 设备包括装载至少一个传感器插头的井下工具， 用以设置进井眼的侧壁中。该设备还与地 面控制单元和用于可操作地将传感器插头连接至地面控制单元的通信线路一起使用。 传感 器插头收集井眼数据， 例如碳氢化合物产物形成的压力或温度， 并通过诸如井下工具或天 线这样的通信线路向井上传送数据。 Ciglenec 等人没有教导或提出用于监视温室气体封存 系统的传感器。通过引用将 Ciglenec 等人的美国专利 6,766,854 的全部内容并入本文。
Schultz 等人的美国专利 6,408,943 公开了用于设置和查询井下传感器的方法和 设备， 从而被动地监视碳氢化合物产生区间中在井眼内的水泥完整性。通过在井套管被粘 结时将传感器放入水泥浆的悬浮液中而将传感器 “抽吸” 到位。传感器可以是用电池供电 或外部激励电源供电并操作的类型， 其将发送传输所需信息的信号。随后利用单件的井眼 配置设备为传感器通电并对其查询以随时监视水泥状况。Schultz 等人并未教导或提出用 于监视温室气体封存系统的传感器。通过引用将 Schultz 等人的美国专利 6,408,943 的全 部内容并入本文。
Negaley 等人的美国专利 6,434,372 公开了一种采用调制反射器技术的远距离通 信设备。 该设备包括能量发射基站以及远程单元， 该远程单元不发射辐射以便与基站通信， 因为采用调制反射器技术， 由此， 信息附着于被远程单元反射回基站的从基站产生的 RF 载 波。因为远程单元不发射辐射， 所以仅需低功率电源用于其操作。来自基站的信息分别利 用发射器和接收器被传送到远程单元。 这种通信系统的通信范围由调制反射器半双工链路 的性质决定。通过引用将 Negaley 等人的美国专利 6,434,372 的全部内容并入本文。
Vinegar 等人的国际专利申请公开 WO 01/65066 公开了一种具有延伸进地质构造中的钻孔的石油井。钻孔中设置有管线结构， 且井下管线结构周围设置感应扼流圈。沿井 表面和感应扼流圈之间的管线结构提供通信系统。 井下模块设置在管线结构的外表面上且 其被设置为测量地质构造的特性。 将诸如压力和电阻率这样的地质构造特性沿管线结构传 送至井面。通过引用将 Vinegar 等人的国际专利申请公开 WO01/65066 的全部内容并入本 文。
期望并需要监视温室气体封存系统和 / 或其他系统或井的隔离系统完整性。还期 望并需要位于钻孔套管外的传感器， 以检测周围环境的变化并与套管中的装置通信。还期 望并需要长时间或持续时间段监视与温室气体封存相关的隔离系统完整性的传感器。 还期 望并需要可检测或测量配置在套管外的其他无线传感器不能获取的特性的传感器， 所述特 性例如是 pH 值、 孔隙率、 导电率、 电阻率、 二氧化碳、 碳氢化合物液体、 碳氢化合物气体是否 存在或是否转移、 其他地球化学条件和 / 或类似特性。还期望并需要在钻井过程中或在已 有井中简易安装且成本有效的传感器。 发明内容
本发明涉及用于监视隔离系统完整性的无线传感器的设备和方法， 该隔离系统例 如是在温室气体封存期间使用或采用的系统。该设备和方法监视温室气体或碳封存系统 ( 例如工程钻孔和 / 或天然覆盖岩层构造 ) 的隔离系统完整性。该设备和方法还可与其他 系统或井一起使用。本发明还涉及位于钻孔套管外的传感器， 用以检测周围环境的变化并 与套管内的装置通信。传感器操作用于长时间或持续时间段 ( 几年、 几十年、 甚至上百年 ) 监视与温室气体封存相关的隔离系统完整性。 传感器可检测或测量无法由设置在套管外的 其他无线传感器获取的特性， 例如 pH 值、 孔隙率、 导电率、 电阻率、 二氧化碳、 碳氢化合物液 体、 碳氢化合物气体是否存在或是否转移、 其他地球化学条件和 / 或类似特性。传感器可在 钻井过程中或在已有井中简易安装且成本有效。
根据一个实施例， 本发明涉及用于工程钻孔和适于温室气体封存的覆盖岩层的密 封完整性的完整性监视的设备。该设备包括一个或多个设置在套管外的传感器， 用以监视 这种钻孔， 以及一种工具， 其可在套管中移动以为一个或多个传感器供电并查询一个或多 个传感器。所述传感器还可从地面供电和查询。
根据第二实施例， 本发明涉及一种监视贯穿天然覆盖岩层密封的工程钻孔的完整 性的方法， 该天然覆盖岩层密封适于温室气体的封存。 该方法包括如下步骤 ： 在套管外设置 一个或多个传感器， 并利用套管内的工具为一个或多个传感器供电。该方法还包括如下步 骤： 利用工具查询一个或多个传感器以监视钻孔。或者， 传感器还可从地面供电并查询。
根据第三实施例， 本发明涉及温室气体封存的方法。 该方法包括如下步骤 ： 钻工程 钻孔并相对于钻孔设置一个或多个传感器。该方法还包括如下步骤 ： 利用套管外的一个或 多个传感器包围钻孔并将温室气体注入进钻孔或通过钻孔例如注入进存储结构。 该方法还 包括利用在套管内可移动的工具为一个或多个传感器供电并查询一个或多个传感器来监 视钻孔的完整性。 附图说明
纳入本说明书并构成其一部分的附图与说明书一起说明本发明的实施例， 附图用于解释本发明的特征、 优点和原理。其中 ：
图 1 说明根据一个实施例钻取地面钻孔， 其包括钻井液滤饼中的传感器 ；
图 2 说明根据一个实施例的设置在地面钻孔中的套管， 具有环流水泥以设置其他 传感器 ；
图 3 说明根据一个实施例的设置在中间钻孔中的套管， 具有设置在钻井液滤饼以 及水泥中的传感器 ；
图 4 说明根据一个实施例的设置在穿过注入结构的工程钻孔中的注入套管， 其具 有设置在钻井液滤饼以及水泥中的传感器 ；
图 5 说明根据一个实施例的具有传感器和测井电缆测井仪的工程钻孔 ； 以及
图 6 说明根据一个实施例的具有套管定中器的套管。 具体实施方式
本发明可包括用于监视隔离系统完整性的无线传感器的设备和方法， 该隔离系统 例如在温室气体封存中被使用或采用。
根据一个实施例， 本发明可包括检测 pH 值、 其他地球化学条件、 在用于制造、 注入 或监视钻孔寿命的水泥壁垒中或沿着水泥壁垒的分子的存在或转移的传感器。 工程钻孔包 括在钻取过程中产生的钻孔、 沿着钻孔或围绕钻孔残留的钻井液滤饼、 支撑钻孔的套管或 管线、 支撑套管的定中器、 填充套管和钻孔之间空间的水泥或其他合适材料、 任何其他的相 关设备或材料和 / 或类似物。优选地， 工程钻孔或其组件在封存系统的天然覆盖岩层密封 和 / 或其他部分内形成或构成隔离系统。本发明的传感器例如可在泥浆环流、 滤饼形成、 套 管定位、 水泥放置和 / 或类似过程中用于或安装于新井或钻孔。本发明的传感器例如可通 过将传感器嵌入现有套管外部或贯穿现有套管而用于或安装于现有井或钻孔。 优选但不必要地， 传感器包括封装在保护壳内的相对较小的装置， 以致在钻取、 添 加压裂支撑剂、 水泥灌浆和 / 或类似过程中注入进环流系统。环流或流动使传感器沿钻孔 壁 ( 泥浆位移 ) 设置， 在水泥壁垒设置， 在压裂支撑剂中设置和 / 或在类似物中设置。
或者， 可通过贯穿套管和 / 或完成的或现有的井或钻孔的水泥衬里产生或钻取洞 或孔来设置或插入传感器。优选地， 插入孔在传感器设置后可被封闭或堵塞。
传感器可具有内部电源 ( 有源 ) 和 / 或电源可由外部源提供 ( 无源和 / 或寄生 的 )。可使用任何合适的内部电源或源， 例如干电池、 湿电池、 锂离子电池、 镍金属氢化物电 池、 燃料电池、 其他电势源、 其他化学势源和 / 或类似物。优选地， 内部电源具有与获取传感 器读数的持续时间对应的使用寿命。多次和 / 或冗余电源被涵盖在本发明的范围内。有源 和无源系统的组合也被涵盖在本发明的范围内， 例如外部信号初始化传感器以利用内部电 源执行扫描或获取读数。 读数可从传感器发射并随后对传感器断电或关闭传感器以保存电 力或能源。
可使用任何合适的外部电源或源， 例如声能、 超声能、 热能、 电磁能、 x 射线、 微波、 水 ( 流动流体 ) 能和 / 或类似物。外部电源可来源于测井仪、 智能清管器和 / 或来源于套 管内部的类似物。寄生电源系统可包括压电系统。或者， 电源可包括通过包括了套管或衬 里的导线或其他合适导体的电流。外部供电的系统或传感器可允许长的传感器使用寿命， 例如用于监视温室气体封存系统所需的多年。
优选但不必须地， 传感器不需要存储数据的存储器。可通过外部源 ( 例如测井电 缆测井装置或其他井下工具 ) 查询和 / 或查询传感器。测井电缆工具可产生电场、 磁场、 声 场和 / 或类似场以提供能量， 从而激励传感器。
测井电缆工具可位于距传感器至井眼中心任意距离处， 例如约 5 厘米至约 1000 厘 米之间、 约 10 厘米至约 100 厘米之间、 约 20 厘米至约 50 厘米之间、 约 25 厘米和 / 或类似 距离。
或者， 传感器包括适当的存储量， 以便存储数据或在适当时长或在利用电缆测井 查询期间的读数。任何适当的存储量都是可能的， 例如至少约 1 千字节、 至少约 1 兆字节、 至少约 1 千兆字节和 / 或类似容量。闪存可用于在查询之前和 / 或查询期间在传感器断电 的同时存储读数。
当传感器通电时， 传感器可检测隔离系统的性质， 例如 pH 值、 孔隙率、 导电率、 电 阻率、 环境周围和 / 或透过环境迁移并能表征环境的某些分子和 / 或类似性质。例如在提 供能量和 / 或信号以激活传感器的同时， 将在传感器附近的工具上检测来源于传感器响应 的环境测量。 查询步骤可包括传感器和测井仪之间的任何适当的通信， 反之亦然， 例如将信 号从测井仪发送以对传感器供电并激活传感器、 将信号从传感器发送至测井仪和 / 或类似 操作。 优选地， 井下电缆测井工具可提供电源和响应于井下环境而检测、 记录和 / 或发 送传感器测量的能力。另外且选择性地， 测井仪可检测和 / 或记录传感器的位置。例如深 度、 方位角 ( 角位置 )、 距离和 / 或类似参数。 优选地， 测井仪可通过唯一标签或信息字段识 别各个传感器。射频识别 (RFID) 的应用涵盖于本发明范围内。
定向或跟踪单个传感器随着时间的响应可提供工程钻孔和 / 或天然覆盖岩层密 封的完整性的主动和 / 或预测性测量， 例如显示在一个位置随时间的流体迁移的证据或 pH 值的变化。另外和 / 或选择性地， 定向或跟踪多个传感器随着时间的响应可提供工程钻孔 和 / 或天然覆盖岩层密封的完整性的主动和 / 或预测性测量， 例如显示沿某距离随时间的 流体迁移的证据或 pH 值的变化。
与套管壁外部的地球化学环境或地质力学环境相关的信息可提供隔离系统的状 况的关键指标评估， 其包括侵蚀和 / 或气体沟流或泄漏。抛开理论限制， 存储或封存系统的 一种最可能发生的失效机制被认为是发生在用于注入的钻孔处、 沿该钻孔或位于其周围， 因为其位于注入点附近并导向回到地面。 水泥试图取代在钻孔钻穿覆盖岩层时被扰乱的天 然密封或岩层构造。水泥与套管和岩层构造的界面是沿着工程钻孔最可能的潜在迁移路 径。
本发明的传感器优选监视或检测天然覆盖岩层、 储集层和 / 或类似层中的工程钻 孔周围区域的变化。优选地， 传感器还能检测水泥与套管的界面、 泥浆滤饼界面、 钻孔壁界 面和 / 或类似界面处环境的变化。本发明的传感器尤其可监视该区域中以及全部系统的其 他部分的情况和 / 或变化。
根据一个实施例， 本发明涉及无线传感器， 其能查询 pH 值、 碳氢化合物气体的存 在、 二氧化碳的存在和 / 或类似信息。位于套管外的传感器可提供对由于暴露于井下环境 ( 例如酸性环境 ) 而发生的井完整性变化进行测量的方式。 该系统可由两部分组成， 包括传 感器和提供电、 磁和 / 或声能形式的能量的测井仪。传感器可包括材料的地球化学或分子
测量， 该材料从套管壁外部至包括水泥、 压裂支撑剂和 / 或残余泥浆滤饼的钻孔壁中的区 域沿着隔离系统和 / 或在隔离系统周围。或者， 传感器可检测井眼壁外并深入至周围岩体 和 / 或类似物的储集层中的特性和 / 或变化。 如本文所用， 泥浆滤饼有时也可称为泥饼和 / 或滤饼。电缆测井工具和 / 或地面控制可产生适当能量以在井眼环境下为传感器供电。优 选地， 该系统可提供时延技术以通过定期测井而比较历年的情况。
钻孔测井和传感器查询可以任意适当的频率进行， 例如至少约每小时、 至少约每 日、 至少约每周、 至少约每月、 至少约每两月、 至少约每六个月、 至少约每年、 至少约每两年、 至少约每五年、 至少约每十年和 / 或类似频度。或者， 传感器可提供基于连续、 半连续、 不连 续和 / 或类似方式的监视或读数。
图 1 说明根据一个实施例的在新井眼安装期间的用于温室气体封存系统的具有 泥浆滤饼传感器 18 的工程钻孔 12 的表面截面。钻孔 12 包括钻柱 26、 钻头 28 以及泥浆滤 饼 22。钻孔 12 还包括或拥有设备 10 和泥浆滤饼传感器 18。泥浆滤饼传感器 18 可在从泥 浆入口 30、 沿着钻柱 26 向下并穿过钻头 28 的泥浆流动路径中随钻井泥浆 21 环流或流动。 钻井泥浆 21 随后在某些钻井泥浆 21 从泥浆出口 32 排出之前形成泥浆滤饼 22。一些传感 器嵌入泥浆滤饼 22 中和 / 或钻孔壁的泥土或岩石中。随钻井泥浆 21 排出的任何传感器都 可被捕集并被再利用。 图 2 说明根据一个实施例的设置在地面钻孔的套管、 水泥 24、 定中器 48 以及水泥 传感器 20。设备 10 包括泥浆滤饼 22、 泥浆滤饼传感器 18 以及水泥传感器 20。水泥传感器 20 可在从水泥入口 23、 沿着套管 14 向下、 并从水泥出口 25 排出的在钻孔 12 和套管 14 之 间的环形空间中随水泥 24 环流。
图 3 说明根据一个实施例的在工程钻孔 12 的覆盖岩层 38 中的套管 14， 例如处于 中间套管中。设备 10 包括泥浆滤饼 22、 泥浆滤饼传感器 18、 水泥 24、 水泥传感器 20、 用于 中间套管的水泥传感器 29、 水泥入口 23、 水泥出口 25 以及定中器 48。
图 4 说明根据一个实施例的套管 14， 位于穿过覆盖岩层 38 的工程钻孔 12 的地质 构造 42 中， 例如具有注入套管。设备 10 包括泥浆滤饼 22、 泥浆滤饼传感器 18、 水泥 24、 用 于注入套管的水泥传感器 20、 水泥传感器 29、 水泥传感器 33 以及定中器 48。
图 5 说明根据一个实施例的工程钻孔 12， 其具有图 4 所示的传感器 18、 20、 29 和 33 并使用测井电缆工具 44。工程钻孔 12 包括上述附图中所示的套管 14、 泥浆滤饼 22、 水 泥 24 以及设备 10。工程钻孔 12 还包括具有密封 36 的井口 34、 封隔器 37 以及注入管 41。 工程钻孔 12 还包括压裂支撑剂 40， 其设置在储集层或地质构造 42 的一部分中。地质构造 42 位于覆盖岩层 38 之下。测井电缆 46 提供移动、 通信和 / 或为测井电缆工具 44 供电。测 井电缆工具 44 例如在完成的且装备的钻孔 12 中向上或向下移动时为传感器 18、 20、 29 和 33 供电和 / 或查询传感器 18、 20、 29 和 33。
图 6 说明根据一个实施例的套管 14， 其可用于温室气体封存系统的工程钻孔 ( 未 示出 ) 中。套管 14 具有 ： 定中器 48( 也示于图 2、 3 和 4 中 )， 其围绕管线长度设置 ； 和凸缘 52， 设置作为一端的集成部。定中器可支撑套管离开钻孔壁， 例如使水泥围绕套管环流。传 感器 16 安装至套管的定中器 48、 凸缘 52 和 / 或外部， 例如在 50 处。传感器 16 可刚性附接 至耐久结构和套管的水泥灌浆 ( 如果实施 )。
根据一个实施例， 本发明可包括一种设备， 其用于工程钻孔或井眼的完整性监视
以及天然存在的覆盖岩层 ( 适于将温室气体封存于下层地质岩系 ) 的密封完整性或封存性 能。该设备可包括 ： 一个或多个传感器， 用以设置在套管外部， 从而监视钻孔 ； 和， 用于在套 管中移动的工具， 为一个或多个传感器供电并查询一个或多个传感器。
完整性泛指未受损害的情况或坚固性， 例如未分割或完整的性质或状态， 例如完 全与其工程设计初衷吻合的状态。优选地， 封存系统的完整性致使或允许无意外泄漏 ( 重 大泄漏 ) 或无超过预定范围或地质构造的迁移的封存， 例如未泄漏进入地下水源 ( 保护 )。 或者， 某些进入覆盖岩层的泄漏、 迁移、 扩散和 / 或类似现象也是可预期的。
监视泛指观察、 测量、 记录、 检查和 / 或类似操作。
工程钻孔泛指在土地上凿取或钻取的任何合适的孔， 例如在地下钻取的狭窄竖 井， 其可以是垂直的、 倾斜的、 水平的和 / 或类似方向。钻孔或工程钻孔还可包括泥浆滤饼、 套管、 水泥、 钻柱、 钻头和 / 或类似物。 钻孔可为任意合适的长度， 例如至少约 100 米、 至少约 500 米、 至少约 1000 米、 至少约 5000 米和 / 或类似长度。钻孔可包括任意合适的直径或有 效直径， 例如至少约 10 厘米、 至少约 25 厘米、 至少约 50 厘米、 至少约 100 厘米、 至少约 500 厘米和 / 或类似直径。
钻孔的直径可随长度变化， 例如在地面处以一直径开始， 而后随着深入地下而减 小为更小的直径， 即以步进的方式。 直径例如还可包括扩展直径的区域， 以增加水泥壁垒厚 度。钻孔的直径还取决于地质构造的类型、 套管设计和 / 或类似因素。或者， 直径可通过扩 孔和 / 或类似而随深度增加。直径增加例如可提供更厚的水泥或降低地质构造中的圆周应 力。
封存泛指分离、 堆积、 储存、 隔离和 / 或类似状态， 例如防止与大气或地表接触或 与大气或地表分离。大气泛指围绕例如地球这样的星球的气体物质。
如上所示， 温室气体大致包括大气中吸收和发射热红外范围内的辐射的气体或蒸 气， 例如二氧化碳、 甲烷、 硫化氢、 氧化亚氮、 臭氧、 含氯氟烃 (CFC) 和 / 或类似物质。抛开理 论限制， 认为温室气体可接收和 / 或保存大气捕集的太阳辐射或能量， 并致使平均全球大 气温度上升。
传感器泛指可测量和 / 或对物理刺激或周围环境变化有响应的任何合适的装置。 优选地， 传感器可发送能表达所测量的特性并对所测量的特性唯一的信号。传感器可测量 或检测任何合适的特性， 例如但不限于地质力学特性、 地球化学特性、 孔隙率、 渗透率、 导电 率、 二氧化碳或碳氢化合物是否存在或是否迁移、 热量、 温度、 电磁辐射、 放射性粒子、 声音、 声力、 压力、 应变、 磁力、 动作、 方向、 pH 值 ( 包括酸性、 中性和 / 或碱性 )、 电阻、 电导、 阻抗、 运动、 迁移、 流动、 流速、 分子检测 ( 包括二氧化碳和 / 或其他碳氢化合物的存在 ) 和 / 或类 似特性。碳氢化合物可为液体和 / 或气体 ( 蒸汽 )。传感器可测量或检测单个特性。或者， 传感器例如可并行和 / 或串行测量或检测多个特性。
工程钻孔下的传感器设置可包括单一特性传感器、 单一特性传感器的不同类型或 组合、 多特性传感器和 / 或类似。用于不同特性的传感器可设置在不同深度、 不同地质构造 和 / 或类似情况下， 以测量与存储或封存温室气体有关的相关或相应特性或特征。
传感器优选但不必须包括相对紧凑和整装一体式设计， 例如可与钻探泥浆、 压裂 支撑剂和 / 或套管水泥一起环流。传感器可足够小或足够坚固， 以穿过环流装置或泵以分 散和设置。或者， 传感器例如可与和主流成分相同或不同的较高压力液体或气体一起插入或加入泵排出口的下游。
传感器可具有任何合适的尺寸和 / 或形状。传感器可包括小于约 10 厘米、 小于约 5 厘米、 小于约 2 厘米、 小于约 1 厘米、 小于约 0.5 厘米和 / 或类似尺寸的最大尺寸。传感器 可包括纳米技术和 / 或使用微尘 ( 智能微粒 )。传感器可为任意形状， 包括大致球形、 大致 立方体形和 / 或类似形状。 传感器可具有任何合适的密度 ( 每体积排量的质量 )， 例如可相 对于周围液体下沉、 漂浮和 / 或具有中性浮力。根据一个实施例， 传感器相对于环流的钻井 泥浆、 相对于环流的水泥、 相对于抽取的压裂支撑剂和 / 或类似物质具有中性浮力。
根据一个实施例， 传感器可包括时钟或其他合适的计时能力， 以例如周期测量或 检测传感器的周围环境。具有时钟部件的实施例可包括一定数量的存储容量和 / 或内部电 源。时钟可使传感器以任何合适的时间间隔采样周围环境， 例如约每秒、 约每分钟、 约每 10 分钟、 约每 30 分钟、 约每小时、 约每 6 小时、 约每天、 约每两天、 约每周、 约每两周、 约每月、 约 每两月、 约每六个月、 约每年、 约每两年、 约每五年、 约每 10 年和 / 或类似时间间隔。
或者， 传感器可不包括时钟、 存储器和 / 或内部电源。这种基本传感器是指哑传感 器， 且简易的哑传感器可在几年或几十年监视封存系统过程中特别稳定且可靠。
本发明的传感器可设计成适用于长时间监视封存系统， 与用于在钻取期间和 / 或 在井的相对较短的使用寿命 ( 例如开采石油时 ) 期间进行测量的传感器相反。 一个或多个传感器泛指包括一个传感器、 多传感器、 多个传感器和 / 或类似情况。 可在封存系统中设置数十、 数百、 数千甚至更多的传感器。
套管泛指包围或密封的装置， 例如金属管、 玻璃纤维管、 复壁管和 / 或类似用于将 井或孔从周围环境密封或隔离的管。套管可包括任何合适尺寸和 / 或形状。套管可插入或 安装进工程钻孔的任意合适深度， 例如穿过含水层和 / 或类似地质构造。套管可用于钻孔 的全部或一部分中。套管中的套管涵盖在本发明范围内。套管之间的环形空间可提供密闭 性检查点或可被加压至储集层的压力以上， 以致隔离系统的任何裂口都将被加压使得流体 向内。
工具或电缆测井工具泛指可在套管中移动以为传感器供电和 / 或查询传感器的 任何合适的装置和 / 或设备。优选地， 工具可在井眼或钻孔的至少一部分长度上运动， 以线 性运动并从地面控制。或者， 工具可为整装的并可远程控制。工具可向外发送信号或电源 至传感器。工具还可发送信号以例如从断电状态启动和 / 或唤醒传感器。工具还可查询或 质询传感器的当前或过去 ( 之前 ) 读数或测量。优选地， 工具包括确定传感器位置、 深度和 / 或角度方向 ( 方位角 ) 的能力。工具可包括机动装置， 以沿井眼推进工具。或者， 流体可 用于移动工具。
根据一个实施例， 工具在穿过或沿井眼移动的同时查询传感器。 或者， 工具相对于 传感器停止以查询传感器。工具可使用传感器的移动扫描以识别变化， 且随后停止以进一 步探测变化的读数。工具和传感器优选不彼此物理接触 ( 相邻 ) 和 / 或工具和传感器不彼 此直接电接触。工具还包括其他功能， 例如套管的超声厚度测量、 电阻率测量和 / 或类似测 量。 或者， 可提供在传感器和套管内径之间的直接连接的线， 以通过接触穿过套管内部的工 具进行供电和 / 或查询。
设置在套管外部的传感器和在套管内部可移动的工具的构造可在工具在套管内 简单地移动的同时测量或检测套管外的变化， 以提供用于监视钻孔完整性的成本有效的装
置。 根据一个实施例， 传感器可设置在套管定中器上或外部套管附件上。定中器泛指 设计为保持套管在钻孔中心和 / 或保持套管远离钻孔壁的任何合适装置， 例如与铰链凸缘 和弓形弹簧配合的装置。其他外部套管附件可位于用于套管的管线外部， 或螺纹连接在管 线之间和 / 或类似设置。
根据一个实施例， 工具利用声能、 射频能、 电感应和 / 或类似能量为一个或多个传 感器供电或将电力传送至一个或多个传感器。工具可同时为多个传感器供电， 例如为邻近 区域和 / 或方向中的所有传感器供电。
根据一个实施例， 工具利用射频信号查询一个或多个传感器， 且一个或多个传感 器将射频信号、 声信号反馈和 / 或类似信号发送至工具， 查询优选包括数据或信息的双向 交换。或者， 查询包括单向数据流。
根据一个实施例， 工具可包括相对于钻孔确定一个或多个传感器的深度和方位角 的能力。 工具能确定从钻孔中心至传感器的距离， 以及确定围绕传感器的介质的类型， 例如 泥土、 岩石、 泥浆滤饼、 压裂支撑剂、 水泥和 / 或类似介质。
传感器可设置或位于任何合适的位置和 / 或介质中， 例如靠近地面、 位于中间深 度、 位于底部和 / 或类似位置。传感器可设置或位于泥浆滤饼、 压裂支撑剂、 泥土层、 岩石 层、 覆盖岩层、 表土、 套管元件、 定中器、 水泥外层、 水泥层和 / 或类似位置中或其附近。
泥浆滤饼泛指残渣或剩余物， 其在泥浆或溶液 ( 例如钻井泥浆 ) 在压力作用下压 向介质时沉积或位于可渗透介质或半可渗透介质上。 滤液是穿过介质且在介质上留下滤饼 的液体。 合适的钻井泥浆可为基于水或基于油的流体， 且可包括适当过滤速率和滤饼特性。 钻井泥浆可为生物可降解的。泥浆滤饼性质可包括任何合适的属性， 例如饼厚度、 粘性、 光 滑性、 渗透性和 / 或类似性质。例如在高角孔、 水平孔、 垂直孔和 / 或类似孔中， 泥浆滤饼可 将钻井泥浆与地质构造隔离。
压裂支撑剂泛指具有一定尺寸的颗粒， 其与压裂液混合以在水力压裂处理和 / 或 类似处理后保持断层开放。 压裂支撑剂可包括任何合适的物质， 例如砂粒树脂覆盖砂、 高强 度陶瓷、 烧结矾土和 / 或类似物质。压裂支撑剂材料可按尺寸和 / 或球度分类， 以提供流体 产物至井眼或从储集层至井眼的高效通路。
水泥外层或水泥壁垒泛指水泥或其他合适的材料， 例如砂浆、 混凝土和 / 或类似 设置在套管外部的材料， 例如固定套管和 / 或提供额外封闭性。
覆盖岩层泛指相对不透水的岩石或岩层， 其构成储集层和 / 或储集岩层上及其周 围的壁垒或密封， 以便流体或气体不能迁移出储集层。 覆盖岩层可位于盐丘顶部， 并包括任 何合适的材料， 例如板岩、 硬石膏、 盐和 / 或类似材料。可存在由给定工程井眼横断和 / 或 贯穿的若干覆盖岩层。覆盖岩层的渗透率可包括任何合适的量或数值， 例如约 10-6 达西至 约 10-8 达西。
表土泛指覆盖感兴趣的地下结构的区域或点的岩石或物质。
根据一个实施例， 一个或多个传感器不包括数据存储和电力存储能力， 以构成哑 传感器， 如上所述。
传感器可包括任何合适的使用寿命。 使用寿命泛指预期寿命或可接受的服务使用 期。本发明的传感器可包括至少约 1 年、 至少约 5 年、 至少约 10 年、 至少约 30 年、 至少约 60
年、 至少约 100 年、 至少约 250 年和 / 或类似年限的使用寿命。
根据一个实施例， 本发明可包括用于监视适用于温室气体封存的钻孔的完整性的 方法。该方法包括如下步骤 ： 在套管外设置一个或多个传感器， 以及步骤 ： 利用套管内的工 具为一个或多个传感器供电。该方法还包括步骤 ： 利用工具查询一个或多个传感器以监视 钻孔。
设置泛指放置、 安置、 安装、 定位、 固定和 / 或类似方式。在套管外部泛指除套管内 部之外的任何部分或空间。 通常， 套管外部是指管线壁外部。 套管外部可包括泥土、 岩石、 覆 盖岩层、 泥浆滤饼、 压裂支撑剂、 水泥外层和 / 或类似物质。设置传感器的步骤可包括任何 适当操作， 例如通过测井仪放置、 在钻井泥浆环流期间放置、 在压裂支撑剂填装期间放置、 在水泥灌浆期间放置、 通过插入空钻孔中的分散装置而放置和 / 或类似过程中放置。
用于该方法中的传感器泛指包括上述任何和 / 或所有特征和特性。
供电泛指为例如无源传感器供应或提供电力和 / 或能源的步骤或操作。用于该方 法中的工具泛指包括上述任何和 / 或所有特征和特性。
查询泛指寻问或查询， 且可包括单向通信和 / 或双向通信。
该方法还包括利用一个或多个传感器测量或检测 pH 值、 孔隙率、 电导率、 电阻率、 二氧化碳或碳氢化合物液体或碳氢化合物气体的存在或迁移和 / 或类似指标的步骤。测量 泛指传感器的任何合适的操作或步骤， 从而确定传感器的周围环境的特性或特性变化。测 量通常包括某些量或程度的量化， 例如 pH 为 6 或每百万原子具有 5 份二氧化碳的浓度。 检测泛指发现或确定特性的存在、 出现或实际情况。 检测通常包括定性处理， 例如 碳氢化合物的存在或迁移。
根据一个实施例， 设置一个或多个传感器的步骤可包括 ： 在覆盖岩层中或沿覆盖 岩层或其他非生产区间， 在定中器、 其他外部附件上或在泥浆滤饼、 压裂支撑剂或水泥中设 置一个或多个传感器。
根据一个实施例， 设置一个或多个传感器的步骤可包括在钻井泥浆中环流一个或 多个传感器并将一个或多个传感器嵌入泥浆滤饼中。 环流泛指在地面将传感器添加进钻井 泥浆或其他流体并在井下抽取用以设置。
根据一个实施例， 设置一个或多个传感器的步骤包括 ： 沿覆盖岩层或其他非生产 或低渗透性区间， 将一个或多个传感器设置在泥浆滤饼、 压裂支撑剂、 水泥、 水泥外层和 / 或类似构造中。非生产或低渗透性区间泛指不具有或产生石油或天然气和 / 或可防止穿过 其迁移的地质构造。
根据一个实施例， 为一个或多个传感器供电的步骤可包括使用电感应场、 核能、 声 能、 射频能和 / 或其他能量。
根据一个实施例， 查询一个或多个传感器的步骤可包括发送射频信号的工具和发 送射频信号的一个或多个传感器。
根据一个实施例， 该方法还包括相对于钻孔确定一个或多个传感器的深度和方位 角的步骤。
根据一个实施例， 该方法可包括监视工程钻孔或钻孔的组件的步骤。钻孔的组件 可包括泥浆滤饼、 水泥、 套管、 定中器和 / 或类似组件。选择性地和 / 或另外地， 该方法还包 括监视天然存在的覆盖岩层或封存构造的步骤。
根据一个实施例， 本发明可包括封存温室气体的方法。该方法可包括钻取钻孔的 步骤以及相对于钻孔设置一个或多个传感器的步骤。 该方法还包括用套管外的一个或多个 传感器包围钻孔的步骤， 以及选择性地用水泥填充环状空间的步骤。该方法还包括将温室 气体注入进和 / 或穿过钻孔， 且随后注入进周围的地质构造或存储构造的步骤。该方法还 包括通过在套管中可移动的工具为一个或多个传感器供电并查询一个或多个传感器从而 监视钻孔完整性的步骤。优选地， 从传感器获取的测量表示覆盖岩层的状况的变化和 / 或 沿隔离系统和 / 或覆盖岩层构造的流体和 / 或气体的存在或迁移。
注入温室气体的步骤可包括将二氧化碳和 / 或其他气体压入并流入钻孔的步骤， 例如压入并流入储集层或地质构造。二氧化碳或其他温室气体可从任何合适的源头收集， 例如燃煤发电厂。 优选地， 注入还包括将温室气体保持在储集层中的操作， 例如在工程钻孔 的注入寿命将尽时在地面处或其附近覆盖或密封套管和 / 或钻孔。注入可包括上述任何其 他温室气体。
根据一个实施例， 设置一个或多个传感器的步骤可包括沿着钻孔环流钻井泥浆、 形成泥浆滤饼以及将一个或多个传感器嵌入泥浆滤饼中。 将传感器嵌入泥浆滤饼中的步骤 可发生在钻井泥浆通过进入一部分透水构造 ( 例如覆盖岩层 ) 而形成泥浆滤饼时或发生在 构造的现有的天然断层中。传感器可与钻井泥浆一起环流并构成泥浆滤饼的一部分和 / 或 嵌入构造中。
类似地， 在运动的水泥中环流的传感器在形成时嵌入或混入水泥外层。
根据一个实施例， 设置一个或多个传感器的步骤可包括设置于定中器或其他外部 套管附件上， 如上所述。
根据一个实施例， 监视工程钻孔和天然覆盖岩层密封的完整性的步骤可包括测量 或检测 pH 值、 孔隙率、 导电率、 电阻率、 二氧化碳或碳氢化合物或碳氢化合物气体的存在或 转移和 / 或其他指标， 如上所述。选择性地和 / 或可替换地， 监视可包括系统的天然存在的 部分。
根据一个实施例， 本发明包括在现有钻孔外或适用于温室气体封存的覆盖岩层内 安装传感器的方法。 该方法包括将安装工具降入钻孔的步骤以及利用例如安装工具形成穿 透套管的孔的步骤。 该方法还包括在孔中放置一个或多个传感器的步骤以及选择性地利用 例如水泥、 树脂和 / 或其他合适材料密封孔的步骤。选择性地和 / 或可替换地， 孔延伸进或 穿过水泥衬里、 泥浆滤饼或覆盖岩层。为了形成孔， 安装工具可利用钻取、 钻孔、 爆破和 / 或 类似方法。包含传感器的钻头或钻杆可设置穿过套管和 / 或水泥， 并具有自封闭端或插塞。 钻杆可以任何合适的角度设置， 例如垂直于套管和 / 或与套管呈一角度。优选地， 钻杆可由 比其中设置了钻杆的套管、 水泥和 / 或地质构造更硬的材料构成。另一种技术采用穿孔， 例 如聚能射孔弹。穿孔之后是挤压或环流， 例如利用带有传感器的水泥。孔可包括任何合适 形状， 例如大体圆锥形， 其从套管延伸至顶点。优选地， 孔可包括一个或多个传感器。
实例
利用具有钻杆 ( 钻柱 ) 和钻头的常规钻孔打井机从地表钻取地面孔。钻液或钻井 泥浆通过钻柱和钻孔壁之间的环形空间环流或泵入钻柱并泵至孔上或外， 以致泥浆滤饼残 存于钻孔壁中和 / 或其上。将传感器加入钻液中， 并使其运动到孔底部、 沿着环形空间向 上， 且随后嵌入进泥浆滤饼中。泥浆滤饼残存于钻孔中。设置地面套管并水泥灌浆到位， 以便保留泥浆滤饼中的传感器。其他传感器随水 泥环流并嵌入水泥中。因此传感器嵌入泥浆滤饼和水泥中。
通过地面孔钻取中间钻孔， 其例如具有约 31 厘米的直径。传感器在钻取过程中在 钻井泥浆中环流并在比上述位置深的深度嵌入泥浆滤饼中。泥浆滤饼残留在钻孔中。
设置并水泥灌浆中间套管， 其例如具有约 24.5 厘米直径的碳钢管或耐腐蚀材料。 设置套管后进行水泥环流。 水泥被抽入套管中并沿套管外部沿着孔向上 ( 通过环形空间 )。 传感器保留在泥浆滤饼中以及另外的传感器随水泥环流， 并且嵌入水泥中。
穿过中间钻孔钻取钻孔注入区间， 其例如为约 21.5 厘米的孔。钻井泥浆如上所述 地环流且传感器在更深的深度嵌入泥浆滤饼中。泥浆滤饼残留于钻孔中。
设置并水泥灌浆注入套管， 其例如为 17.75 厘米直径的管。传感器保留在泥浆滤 饼中以及另外的传感器随水泥环流， 并且嵌入水泥中。
当在任意套管 ( 地面、 中间、 注入 ) 上使用套管定中器时， 传感器在插入前安装到 定中器外部， 例如将传感器安装在扩展机构的边缘上和 / 或拱梁中。
通过测井装置或工具为传感器远程供电以读取或查询传感器。 测井装置位于测井 电缆上并穿过井口密封。 传感器位于地面附近、 位于一定深度的覆盖岩层和地质构造中。 为 此， 测井装置在井中停止时查询上升和 / 或下降的传感器或定期查询。
根据需要， 通过利用钻取、 爆破、 水力喷射和 / 或类似方法以穿过或穿透套管并产 生用于设置传感器的孔或洞， 从而设置其他传感器。如果需要， 将传感器设置在孔中， 且孔 是封闭的或插塞的。
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对于方法和工艺中步骤的顺序、 数目、 序列和 / 或重复限度来说， 申请人旨在说明 本发明的范围并未暗指包含步骤的顺序、 数目、 序列和 / 或重复限度， 除非另外指明。
对本领域技术人员显而易见的是， 在不脱离本发明的范围和精神的情况下， 可对 本文公开的结构和方法进行各种改进和变化。具体地， 任何一个实施例的说明可与其他实 施例的说明任意组合， 以致使两个或多个元素或限度的组合和 / 或变化。在考虑本文公开 的本发明的说明和实际操作的情况下， 本发明的其他实施例对于本领域技术人员来说是显 而易见的。说明书和实例应被认为仅为示例性的， 而本发明真正意义上的范围和精神由所 附权利要求指示。