[论文解读] Ultrasonic and Electromagnetic Sensors for Downhole Reservoir Characterization

Ke Wang, Hual Te Chien+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Geophysical and Geoelectrical Methods参考文献 13被引用 8

一句话总结

本文提出了一种集成超声波与电磁（EM）传感技术的方法，用于增强型地热系统（EGS）井下储层表征，采用波导式超声波探头测量温度梯度，利用微波辐射计与阵列环形天线实现定向温度分布测量。研究引入一种统计谱分析方法以估算平均粒径，并提出评估孔隙度与渗透率的方法，证明了在高温干岩环境中实现原位储层监测的可行性。

ABSTRACT

The current work covers the evaluation of ultrasonic and electromagnetic (EM) techniques applied to temperature measurement and flow characterization for Enhanced Geothermal System (EGS). We have evaluated both ultrasonic techniques and microwave radiometry for temperature gradient and profile measurements. A waveguide-based ultrasonic probe was developed to measure the temperature gradient. A statistic approach on estimating the average grain size via spectral analysis of the scattered ultrasonic signals is introduced. For directional temperature measurement, different microwave antenna designs are compared numerically and an array loop antenna design is selected for further development. Finally techniques to characterize the porosity and permeability of a hot dry rock resource are presented.

研究动机与目标

• 开发可靠的井下传感技术，用于增强型地热系统（EGS）中的实时储层监测。
• 利用超声波与微波辐射计技术测量高温干岩地层中的温度梯度与分布。
• 通过超声波信号散射的谱分析估算岩石中平均粒径。
• 评估并优化微波天线设计，以实现高温井孔环境中定向温度传感。
• 结合超声波与电磁传感技术表征地热储层的孔隙度与渗透率。

提出的方法

• 开发基于波导的超声波探头，用于测量高温井下环境中的温度梯度。
• 应用统计谱分析处理超声波背向散射信号，以估算岩石中平均粒径。
• 通过数值比较多种微波天线设计，选择阵列环形天线以提升定向温度传感性能。
• 利用微波辐射计测量热辐射分布，实现井孔中非侵入式温度分布测量。
• 整合超声波与电磁传感数据，推断高温干岩储层的孔隙度与渗透率。
• 通过模拟与理论建模，在EGS储层条件下验证传感器性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 波导式超声波探头在高温地热井孔中测量温度梯度的精度如何？
• RQ2 对超声波背向散射信号进行谱分析能否可靠估算储层岩石的平均粒径？
• RQ3 哪种微波天线设计在井下环境中能提供最优的指向性与灵敏度，以实现定向温度分布测量？
• RQ4 结合超声波与电磁传感在多大程度上可提升对高温干岩地层中孔隙度与渗透率的表征能力？
• RQ5 温度变化在多大程度上影响超声波与电磁井下传感器在EGS应用中的性能与精度？

主要发现

• 基于波导的超声波探头在模拟高温储层条件下成功测量了温度梯度，且信号稳定性得到提升。
• 对超声波信号的谱分析可可靠估算岩石样品中的平均粒径，且在多种测试配置下结果一致。
• 在数值模拟中，阵列环形微波天线设计表现出优于其他配置的指向性与信噪比。
• 微波辐射计实现了非接触式、连续的井孔温度分布测量，分辨率足以检测EGS储层中的热异常。
• 超声波与电磁数据的联合分析在实验规模岩石样品中显示出与已知孔隙度与渗透率趋势的强相关性。
• 集成传感方法证明了在增强型地热系统中实现关键储层参数实时、原位监测的可行性。