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BR9910426B1 - process for optimizing gravity gradiometer measurements. - Google Patents

process for optimizing gravity gradiometer measurements. Download PDF

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BR9910426B1
BR9910426B1 BRPI9910426-1A BR9910426A BR9910426B1 BR 9910426 B1 BR9910426 B1 BR 9910426B1 BR 9910426 A BR9910426 A BR 9910426A BR 9910426 B1 BR9910426 B1 BR 9910426B1
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Melvin Schweitzer
Walter K Feldman
William F Konig
Daniel J Difrancesco
David L Sieracki
Carlos P San Giovanni
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Description

"PROCESSO PARA OTIMIZAR MEDIDAS DO GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE""PROCESS TO OPTIMIZE GRAVITY GRADIOMETER MEASURES"

Técnica de FundamentoFoundation Technique

A presente invenção relaciona-se com um processo para otimizar medidas do gradiômetro de gravidade no con- texto da recuperação secundária de óleo e mais particular- mente, com um processo para otimizar as medidas do gradiô- metro de gravidade para a recuperação secundária de óleo nos quais o limite de sub-superficie ou interface entre o óleo a ser recuperado e o fluido de acionamento do reser- vatório é detectada e controlada para otimizar a recupera- ção e ainda mais particularmente, com um processo para o- timizar as medidas do gradiômetro de gravidade nos quais as anomailias dentro do campo de gravitação causadas por alterações e contrastes de densidade conseqüentes do movi- mento através do tempo do limite da sub-superficie entre o óleo a ser recuperado e o fluido de expulsão ou de repres- surização é monitorado por um gradiômetro de gravidade.The present invention relates to a process for optimizing gravity gradiometer measurements in the context of secondary oil recovery and more particularly, a process for optimizing gravity gradiometer measurements for secondary oil recovery. where the subsurface boundary or interface between the oil to be recovered and the reservoir drive fluid is detected and controlled to optimize recovery and even more particularly with a process for optimizing the measurements of the gravity gradiometer in which anomalies within the gravitational field caused by density changes and contrasts as a result of the movement through the time of the subsurface boundary between the oil to be recovered and the expulsion or countervailing fluid is monitored by a gravity gradiometer.

Os reservatórios de óleo e de hidrocarboneto de gás natural formam-se como uma conseqüência da transforma- ção da matéria orgânica em vários tipos de materiais de hidrocarboneto, incluindo carvão, alcatrão, óleos e gás natural. É acreditado que os reservatórios de óleo e de gás formam-se à medida que moléculas de hidrocarboneto mais leves filtram-se em direção à superfície da terra até que elas sejam capturadas em uma camada relativamente per- meável debaixo de uma camada relativamente impermeável que "tampa" a camada permeável. As moléculas de hidrocarbone- tos mais leves continuam a se acumular, freqüentemente a- companhadas de moléculas de água, dentro dos reservatórios de sub-superficie relativamente grandes. Desde que os re- servatórios existem em várias profundidades dentro da ter- ra, eles freqüentemente estão sob pressão geostática subs- tancial .Natural gas oil and hydrocarbon reservoirs are formed as a consequence of the transformation of organic matter into various types of hydrocarbon materials, including coal, tar, oils and natural gas. Oil and gas reservoirs are believed to form as lighter hydrocarbon molecules filter toward the earth's surface until they are trapped in a relatively permeable layer beneath a relatively impermeable layer that " cover "the permeable layer. Lighter hydrocarbon molecules continue to accumulate, often accompanied by water molecules, within relatively large subsurface reservoirs. Since reservoirs exist at various depths within the earth, they are often under substantial geostatic pressure.

Os recursos de hidrocarboneto têm sido extraídos de depósitos de superfície e de sub-superfície pela mine- ração de recursos sólidos (carvão e alcatrão) e por se bombear ou de outro modo remover o gás natural e o óleo líquido de depósitos de sub-superfície de ocorrência natu- ral.Hydrocarbon resources have been extracted from surface and subsurface deposits by mining solid resources (coal and tar) and by pumping or otherwise removing natural gas and liquid oil from subsurface deposits. naturally occurring.

No último século, o gás e o óleo naturais têm sido extraídos por se perfurar um furo de sonda nos reser- vatórios de sub-superfície. Em geral, a maioria dos re- servatórios foram naturalmente pressurizados pela presença de gás natural livre que se acumulou acima da camada de óleo líquido e freqüentemente, por água que se acumulou abaixo da camada de óleo líquida. Desde que o óleo cru de ocorrência natural possui uma densidade menor do que a da água (isto é, na faixa de 0,7 no caso do óleo cru "leve" até 0,9 no caso do óleo cru "pesado"), o óleo cru acumula- se acima da camada permeada com água e abaixo da camada permeada com gás. Portanto, um furo de sonda terminando dentro da camada permeada com óleo iria produzir óleo que obtém sua energia de expulsão a partir de uma camada per- meável ao gás sobrejacente e/ou de uma camada permeável à água subjacente. Em geral, a recuperação "primária" do óleo cru ocorre durante este período de tempo em que a pressuriza- ção natural de um reservatório faz com que o óleo cru seja acionado para cima através do buraco do poço. Em algum ponto na vida operacional do reservatório, a pressurização de ocorrência natural é efetivamente exaurida. Vários mé- todos diferentes, geralmente conhecidos como métodos de recuperação secundários, foram desenvolvidos para extrair o óleo cru após a pressurização natural ficar esgotada. Em geral, a recuperação secundária envolve repressurizar o reservatório com um fluido (isto é, com um líquido ou gás) para diminuir a viscosidade do óleo e/ou direcionar o óleo cru restante na camada permeada com óleo até a superfície através de um ou mais poços. O fluido de acionamento é introduzido dentro do reservatório por poços de injeção que bombeiam o fluido de acionamento pressurizado dentro do reservatório para deslocar e por meio disso direcionar o óleo em direção e para os poços de produção.In the last century, natural gas and oil have been extracted by drilling a borehole in subsurface reservoirs. In general, most reservoirs were naturally pressurized by the presence of free natural gas that accumulated above the liquid oil layer and often by water that accumulated below the liquid oil layer. Since naturally occurring crude oil has a lower density than water (ie in the range of 0.7 for "light" crude to 0.9 for "heavy" crude), Crude oil accumulates above the water permeated layer and below the gas permeated layer. Therefore, a probe bore terminating within the oil permeated layer would produce oil that obtains its expulsion energy from an overlying gas permeable layer and / or an underlying water permeable layer. In general, "primary" crude oil recovery occurs during this time when the natural pressurization of a reservoir causes crude oil to be driven up through the wellbore. At some point in the operating life of the reservoir, naturally occurring pressurization is effectively exhausted. Several different methods, commonly known as secondary recovery methods, have been developed to extract crude oil after natural pressurization is depleted. In general, secondary recovery involves repressurizing the reservoir with a fluid (i.e. a liquid or gas) to decrease oil viscosity and / or direct the remaining crude oil in the oil-permeable layer to the surface through one or more wells. Drive fluid is introduced into the reservoir by injection wells that pump pressurized drive fluid into the reservoir to displace and thereby direct the oil towards and into production wells.

Vários esquemas foram desenvolvidos para a colo- cação dos poços de injeção. Por exemplo, uma linha de po- ços de injeção pode ser colocada adjacente ou junto a um limite conhecido do reservatório para direcionar o óleo cru em direção e para os poços de produção. À medida que o limite entre o fluido de pressurização avança passando dos poços de produção, estes poços de produção podem ser tampados ou, se desejado, convertidos em poços de injeção. Em outra disposição, os poços de injeção são entremeados entre os poços de produção para direcionar o óleo na cama- da permeável ao óleo para longe do ponto de injeção em di- reção e para imediatamente adjacente aos poços de produ- ção .Several schemes have been developed for injection well placement. For example, a line of injection wells may be placed adjacent to or near a known reservoir boundary to direct crude oil toward and into production wells. As the boundary between the pressurization fluid moves past the production wells, these production wells may be capped or, if desired, converted to injection wells. In another arrangement, the injection wells are interspersed between the production wells to direct the oil in the oil permeable layer away from the direct injection point and immediately adjacent to the production wells.

Vários fluidos, incluindo água em várias tempe- raturas, vapor, dióxido de carbono e nitrogênio, têm sido utilizados para efetuar a repressurização do reservatório e o deslocamento do óleo cru desejado de sua matriz de ro- cha ou de areia em direção aos poços de produção. Na técnica de inundação, a água em temperatura ambiente é injetada dentro de um reservatório para dire- cionar o óleo em direção e para os poços de produção. A água injetada se acumula debaixo do óleo cru e por conse- qüência, flutua o óleo cru de densidade mais leve para ci- ma em direção e para o furo de mina do poço de produção. Nestes casos onde a camada permeada com óleo é relativa- mente fina a partir de uma perspectiva geológica, e também está confinada entre duas camadas relativamente menos per- meáveis (isto é, um teto do reservatório impermeável e um subsolo do reservatório mais permeável), a água é injetada em uma pressão e volume relativamente altos para efetuar um "direcionamento de beira" pelo qual o óleo cru é empur- rado em direção aos poços de produção de óleo. Algumas vezes, a água injetada é aquecida para ajudar a diminuir a viscosidade do óleo e por meio disso ajudar a deslocar o óleo cru dos poros da areia ou rocha permeáveis. A técni- ca de inundação também é adequada para direcionar o gás natural capturado dentro dos poros de rocha de permeabili- dade relativamente baixa para um poço de produção. Na técnica de inundação por vapor, o vapor é u- tilizado para deslocar e direcionar o óleo da areia ou ro- cha contendo óleo em direção e para os poços de produção. O vapor, que pode inicialmente ser superaquecido, é inje- tado dentro da camada permeável ao óleo para causar uma repressurização do reservatório. À medida que o vapor mo- ve-se para longe de seu ponto de injeção inicial, sua tem- peratura cai e a qualidade do vapor diminui com o vapor eventualmente condensando-se em uma camada de água quente.Various fluids, including water at various temperatures, steam, carbon dioxide and nitrogen, have been used to repressurize the reservoir and displace the desired crude oil from its rock or sand matrix to the wells. production. In the flooding technique, room temperature water is injected into a reservoir to direct the oil towards and into production wells. Injected water accumulates under the crude oil and as a consequence, the lighter density crude oil floats upwards and into the production well mine bore. In such cases where the oil-permeable layer is relatively thin from a geological perspective, and is also confined between two relatively less permeable layers (ie a waterproof reservoir roof and a more permeable reservoir subsoil), the water is injected at relatively high pressure and volume to effect a "shore steering" whereby crude oil is pushed toward the oil production wells. Injected water is sometimes heated to help lower the viscosity of the oil and thereby help to displace the crude oil from the pores of the permeable sand or rock. The flooding technique is also suitable for directing the natural gas captured within the relatively low permeability rock pores to a production well. In the steam flooding technique, steam is used to displace and direct oil from the sand or oil-containing rock towards and into production wells. Steam, which may initially be overheated, is injected into the oil-permeable layer to cause reservoir repressurization. As the steam moves away from its initial injection point, its temperature drops and the quality of the steam decreases with steam eventually condensing into a layer of hot water.

Adicionalmente, algum hidrocarboneto mais leve pode ser destilado para fora do óleo cru à medida que ele suporta o deslocamento na interface entre o vapor/água quente e o óleo cru. A injeção de vapor pode ser continua ou em uma base de começa-e-pára intermitente.Additionally, some lighter hydrocarbon may be distilled out of the crude oil as it supports displacement at the interface between steam / hot water and crude oil. Steam injection may be continuous or on an intermittent start-and-stop basis.

Além do uso de água e do vapor para efetuar a repressurização do reservatório e a expulsão do óleo cru em direção aos poços de produção, o dióxido de carbono e o nitrogênio também têm sido utilizados para o mesmo propó- sito .In addition to the use of water and steam to repressurize the reservoir and expel crude oil into production wells, carbon dioxide and nitrogen have also been used for the same purpose.

Um problema associado com a água, vapor, ou com as técnicas de expulsão de gás é a identificação do limite ou da interface entre o fluido de expulsão e o óleo cru. Em uma situação ótima, o limite entre o fluido de expulsão e o óleo cru a ser deslocado move-se de uma maneira que pode ser prognosticada através do reservatório a partir dos pontos de injeção até os poços de produção para maxi- mizar a produção do óleo cru. A geologia de um reservató- rio geralmente é complexa e não homogênea e freqüentemente contém regiões ou zonas de areia ou rocha de permeabilida- de relativamente mais alta; estas zonas de permeabilidade mais alta podem funcionar como caminhos de baixa impedân- cia para. o fluido de expulsão pressurizado. 0 fluido de expulsão pressurizado algumas vezes forma canais de baixa impedância, conhecidos como zonas de "furto", através dos quais o fluido pressurizado "atravessa" para um poço de produção, para por meio disso diminuir significativamente a eficiência da recuperação.A problem associated with water, steam, or gas expulsion techniques is the identification of the limit or interface between the expulsion fluid and crude oil. Optimally, the boundary between the expulsion fluid and the crude oil to be displaced moves in a manner that can be predicted through the reservoir from the injection points to the production wells to maximize the production of the oil. crude oil. The geology of a reservoir is often complex and inhomogeneous and often contains regions or zones of relatively higher permeability sand or rock; These higher permeability zones can function as low impedance paths to. the pressurized expulsion fluid. Pressurized expulsion fluid sometimes forms low impedance channels, known as "theft" zones, through which pressurized fluid "passes" into a production well, thereby significantly decreasing recovery efficiency.

A capacidade de identificar a posição e a inter- face ou limite freqüentemente indefinida entre o óleo cru a ser deslocado e o fluido de expulsão pressurizado, para rastrear a velocidade e a morfologia deste limite e para efetuar o controle do mesmo acentuaria substancialmente a recuperação secundária do óleo.The ability to identify the position and frequently undefined interface or boundary between the crude oil to be displaced and the pressurized expulsion fluid, to track the velocity and morphology of this boundary, and to control it would substantially enhance secondary recovery. of the oil.

Várias técnicas foram desenvolvidas para se ob- ter um entendimento da configuração da geologia da sub- superficie de um reservatório contendo óleo. A técnica dominante envolve eco sísmico no qual uma onda de pressão é direcionada para baixo para as camadas da sub- superfície. A energia inicial da onda de interrogação ti- picamente é criada pela detonação de explosivos ou por má- quinas de impacto com a terra especializadas. A onda de interrogação se irradia de seu ponto fonte com sua veloci- dade de transmissão afetada pelo módulo elástico e pela densidade do material através do qual ela passa. Como com todas as energias de onda, a onda de interrogação está su- jeita aos efeitos de reflexão, refração, dispersão e de abafamento causados pelo material através do qual ela pas- sa e a partir do qual ela é refletida. A energia da onda refletida é detectada por geofones espaçados do ponto de fonte sísmica e sujeita ao processamento para produzir um modelo do reservatório. Esta técnica é altamente desen- volvida e bem adequada para detectar as estruturas da sub- superfície que podem ser favoráveis à acumulação de óleo ou de gás.Several techniques have been developed to gain an understanding of the geology configuration of the subsurface of an oil-containing reservoir. The dominant technique involves seismic echo in which a pressure wave is directed downward to the subsurface layers. The initial energy of the interrogation wave is typically created by the detonation of explosives or specialized earth impact machines. The interrogation wave radiates from its source point with its transmission speed affected by the elastic modulus and the density of the material through which it passes. As with all wave energies, the interrogation wave is subject to the reflection, refraction, scattering, and muffling effects caused by the material through which it passes and from which it is reflected. The reflected wave energy is detected by geophones spaced from the seismic source point and subjected to processing to produce a reservoir model. This technique is highly developed and well suited for detecting subsurface structures that may be favorable for oil or gas accumulation.

Outras técnicas para a investigação da geologia da sub-superfície incluem o uso de gravímetros para detec- tar alterações mínimas na magnitude do vetor de gravidade para o propósito de detectar as estruturas de sub- superfície que podem ser favoráveis à acumulação de óleo ou de gás.Other techniques for investigating subsurface geology include the use of gravimeters to detect minor changes in the magnitude of the gravity vector for the purpose of detecting subsurface structures that may be favorable for oil or gas accumulation. .

Os vários dispositivos e técnicas utilizados pa- ra analisar as camadas da sub-superfície têm levado a a- vanços significantes na habilidade de criar um modelo ou simulação tridimensional do reservatório. Entretanto, as tecnologias de percepção existentes não estão aptas a de- tectar a localização e a morfologia do limite ou interface entre o fluido de expulsão pressurizado e o óleo ou gás natural nestes reservatórios suportando a recuperação secundá- ria. A informação sobre a posição, morfologia e velocidade do limite seria de valor substancial ao se otimizar a recuperação dos hidrocarbonetos que estão sendo submetidos à recupe- ração, especialmente na utilização eficiente dos fluidos de expulsão.The various devices and techniques used to analyze subsurface layers have led to significant advances in the ability to create a three-dimensional reservoir model or simulation. However, existing perception technologies are not able to detect the location and morphology of the boundary or interface between the pressurized expulsion fluid and the oil or natural gas in these reservoirs supporting secondary recovery. Information on the position, morphology and speed of the limit would be of substantial value when optimizing the recovery of hydrocarbons being recovered, especially in the efficient use of expulsion fluids.

Revelação da Invenção Em vista do dito acima, é um objetivo da presen- te invenção, entre outros, proporcionar um processo para aperfeiçoar as medidas do gradiômetro de gravidade no con- texto da recuperação dos hidrocarbonetos fluidos tal como óleo e gás natural, de um reservatório de óleo e/ou gás no qual o reservatório está suportando a repressurização .Disclosure of the Invention In view of the above, it is an object of the present invention, among others, to provide a process for improving gravity gradiometer measurements in the context of the recovery of fluid hydrocarbons such as oil and natural gas from a oil and / or gas reservoir in which the reservoir is supporting repressurization.

É outro objetivo da presente invenção proporcio- nar um processo para otimizar as medidas do gradiômetro de gravidade no contexto da recuperação secundária de hidro- carboneto na qual um fluido pressurizado é utilizado para direcionar o óleo e/ou o gás natural do reservatório para um poço de produção.It is another object of the present invention to provide a process for optimizing gravity gradiometer measurements in the context of secondary hydrocarbon recovery in which a pressurized fluid is used to direct reservoir oil and / or natural gas to a well. of production.

É ainda outro objetivo da presente invenção pro- porcionar um processo para a recuperação secundária de ó- leo na qual o limite ou interface entre o óleo a ser recu- perado e um fluido pressurizado acionando o óleo a ser re- cuperado pode ser identificado.It is still another object of the present invention to provide a process for secondary oil recovery in which the boundary or interface between the oil to be recovered and a pressurized fluid driving the oil to be recovered can be identified.

É um objetivo adicional da presente invenção proporcionar um processo para aperfeiçoar a precisão das medidas do gradiômetro de gravidade no contexto da recupe- ração secundária de hidrocarboneto na qual o limite ou in- terface entre o hidrocarboneto a ser recuperado e um flui- do pressurizado direcionando o hidrocarboneto pode ser i- dentificado e subseqüentemente controlado para maximizar a recuperação.It is a further object of the present invention to provide a process for improving the accuracy of gravity gradiometer measurements in the context of secondary hydrocarbon recovery in which the boundary or interface between the hydrocarbon to be recovered and a pressurized fluid directing The hydrocarbon can be identified and subsequently controlled to maximize recovery.

Em vista destes objetivos e de outros, a presen- te invenção proporciona um processo para aperfeiçoar ou otimizar a medida dos gradientes de gravidade no contexto da recuperação secundária de óleo ou de gás na qual um re- servatório é pressurizado com liquido ou gás de expulsão e o limite ou interface entre o fluido de expulsão e o mate- rial de hidrocarboneto a ser deslocado é monitorado atra- vés do tempo para se perceber as alterações na densidade através do limite com um gradiômetro de gravidade. As al- terações percebidas na posição, extensão, velocidade e morfologia do limite, incluindo a formação de zonas de furto incipientes, permitem o controle do fluido de expul- são injetado para otimizar a eficiência da recuperação.In view of these and other objects, the present invention provides a process for improving or optimizing the measurement of gravity gradients in the context of secondary oil or gas recovery in which a reservoir is pressurized with liquid or exhaust gas. and the boundary or interface between the expulsion fluid and the hydrocarbon material to be displaced is monitored over time to perceive changes in density across the boundary with a gravity gradiometer. Perceived changes in position, extent, velocity, and limit morphology, including the formation of incipient theft zones, allow injection fluid control to optimize recovery efficiency.

As medidas do gradiente de gravidade tomadas por um gradiômetro tipo acelerômetro são otimizadas por se in- clinar o plano de medição do instrumento por um ângulo se- lecionado acima e abaixo da horizontal para se obter dados que podem ser diferenciados ou de outro modo processados para remover a tendência do instrumento e por coletar dados em uma primeira e então em uma segunda direção de azimute ortogo- nal para obter medidas de gradiente absolutas não relativas.Gravity gradient measurements taken by an accelerometer-type gradiometer are optimized by tilting the instrument's measurement plane by a selected angle above and below the horizontal to obtain data that can be differentiated or otherwise processed to remove the bias from the instrument and by collecting data in a first and then a second orthogonal azimuth direction to obtain unrelated absolute gradient measurements.

Um reservatório de hidrocarboneto que está sendo submetido à recuperação secundária é sujeito a um levantamento de gradiente de gravidade inicial no qual um gradiômetro de gravidade tira as medidas do gradiente na superfície acima do reservatório para definir um conjunto de dados inicial. Em algum momento no futuro, um segundo levantamento do gradiente de gravidade é feito para proporcionar um segun- do conjunto de dados. As diferenças entre o primeiro e o segundo conjuntos de dados produz a informação sobre as alterações na densidade da sub-superficie associadas ao deslocamento do gás ou do óleo e a substituição dos mesmos pelo fluido de expulsão. Os levantamentos do gradiente de gravidade subsequentes de forma similar deslocados no tem- po durante a injeção do fluido de expulsão produzem infor- mações adicionais em relação à posição, morfologia e velo- cidade da interface permitindo ao um gerente de campo de óleo controlar o número de locais de injeção e a temperatura, pressão e volume do fluido injetado para desse modo otimizar a eficiência da recuperação. O gerente também pode determinar a conveniência de se perfurar novos poços, suas localizações e suas segmentações e as orientações desejáveis de cada segmento.A hydrocarbon reservoir undergoing secondary recovery is subjected to an initial gravity gradient survey in which a gravity gradiometer measures the gradient on the surface above the reservoir to define an initial data set. At some point in the future, a second gravity gradient survey is done to provide a second data set. Differences between the first and second data sets produce information about changes in sub-surface density associated with gas or oil displacement and their replacement by the expulsion fluid. Subsequent gravity gradient lifts similarly shifted in time during expulsion fluid injection produce additional information regarding interface position, morphology, and speed allowing an oil field manager to control the number. injection sites and the temperature, pressure and volume of the injected fluid to thereby optimize recovery efficiency. The manager can also determine the desirability of drilling new wells, their locations and their segmentation, and the desirable orientations of each segment.

Na implementação preferida da invenção, uma plu- ralidade de estações de medida de gradiente de gravidade é estabelecida na superfície acima de um reservatório de ó- leo ou de gás que está sendo submetido à recuperação se- cundária. Um instrumento de medida do gradiente de gravi- dade do tipo acelerômetro giratório, é posicionado em cada estação em série e os dados indicativos do gradiente de gravidade em cada estação são pegos de acordo com a presente invenção para proporcionar um primeiro conjunto de dados. Este primeiro conjunto de dados proporciona os dados constitu- indo a informação de linha base sobre o gradiente de gra- vidade sobre o reservatório afetado pelas variações de densidade da superfície e da sub-superfície, incluindo o contraste de densidade afetando a gravidade na interface entre o fluido de expulsão e o óleo ou gás que está sendo submetido ao deslocamento durante o tempo que as medidas estão sendo feitas. Em algum tempo subsequente às medidas que produziram o primeiro conjunto de dados, isto é, um período de tempo medido em meses ou anos, as medidas são repetidas para produzir um segundo conjuntos de dados. Os dados comuns entre os primeiro e o segundo conjuntos de dados são indicativos de dados fixos substancialmente in- variáveis, representativos do efeito sobre o gradiente de gravidade da geologia da superfície e da sub-superfície enquanto os dados não comuns entre os primeiro e segundo conjunto de dados são indicativos de uma alteração depen- dente do tempo no gradiente de gravidade conseqüente do movimento através do tempo da interface entre o fluido de expulsão e o óleo ou gás deslocados e os possíveis efeitos de ruído geológico.In the preferred embodiment of the invention, a plurality of gravity gradient measurement stations are established on the surface above an oil or gas reservoir undergoing secondary recovery. A rotary accelerometer-type gravity gradient measuring instrument is positioned at each station in series and gravity gradient indicative data at each station is taken in accordance with the present invention to provide a first data set. This first data set provides the data constituting baseline information about the reservoir gravity gradient affected by surface and subsurface density variations, including density contrast affecting gravity at the interface between the expulsion fluid and the oil or gas being displaced during the time measurements are being made. At some time subsequent to the measurements that produced the first data set, that is, a time period measured in months or years, the measurements are repeated to produce a second data set. The common data between the first and second data sets are indicative of substantially non-variable fixed data, representative of the effect on the gravity gradient of surface and subsurface geology while non-common data between the first and second data sets. These data are indicative of a time-dependent change in the gravity gradient as a result of time-driven movement of the interface between the expulsion fluid and displaced oil or gas and the possible effects of geological noise.

Após atenuar os efeitos de ruído geológico, a informação sobre o movimento da interface ou limite é uti- lizada por um gerente de campo de óleo para controlar o número de pontos de injeção incluindo volume, pressões e temperaturas para controlar e aperfeiçoar a recuperação do hidrocarboneto.After mitigating the effects of geological noise, information about interface movement or boundary is used by an oil field manager to control the number of injection points including volume, pressures, and temperatures to control and improve hydrocarbon recovery. .

A presente invenção de forma vantajosa propor- ciona um processo para a recuperação secundária de óleo que permite a observação, via medição de gradientes de gravidade associados com o limite entre o fluido de expul- são e o material de hidrocarboneto a ser recuperado de ma- neira tal que a eficiência da recuperação pode ser otimi- zada .Advantageously, the present invention provides a process for the secondary recovery of oil which permits observation via measurement of gravity gradients associated with the limit between the expulsion fluid and the hydrocarbon material to be recovered from oil. such that recovery efficiency can be optimized.

Outros objetivos e o escopo adicional da aplica- bilidade da presente invenção irão se tornar aparentes a partir da descrição detalhada que se segue, feita em con- junto com os desenhos acompanhantes, nos quais, partes i- guais são designadas por caracteres de referência iguais.Other objects and the further scope of the applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which, parts are designated by like reference characters. .

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of the Drawings

A presente invenção é descrita abaixo, a titulo de exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes, on- de :The present invention is described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings, where:

FIG. 1 é uma vista em seção transversal repre- sentativa de um retentor ou reservatório de produção de óleo que está sendo submetido à recuperação secundária a- presentando a interface entre o fluido de expulsão e o ó- Ieo a ser deslocado de um modo idealizado;FIG. 1 is a representative cross-sectional view of an oil production retainer or reservoir undergoing secondary recovery showing the interface between the expulsion fluid and the oil to be displaced in an ideal manner;

FIG. IA é uma representação gráfica idealizada da interface entre o fluido de expulsão e o óleo a ser deslocado;FIG. IA is an idealized graphic representation of the interface between the expulsion fluid and the oil to be displaced;

FIG. IB é uma representação idealizada do con- traste de densidade na interface da FIG. IA;FIG. IB is an idealized representation of the density contrast at the interface of FIG. IA;

FIG. 2 é uma vista de cima do reservatório da FIG. 1 apresentando um limite do óleo como uma banda pon- tilhada no contexto de uma configuração de acionamento de linha direta;FIG. 2 is a top view of the reservoir of FIG. 1 showing an oil limit as a dotted band in the context of a direct line drive configuration;

FIG. 3 é a vista da FIG. 2 apresentando o limite do óleo deslocado da posição apresentada na FIG. 2;FIG. 3 is the view of FIG. 2 showing the displaced oil limit of the position shown in FIG. 2;

FIG. 4 é um exemplo de uma configuração de recu- peração de cinco pontos;FIG. 4 is an example of a five point recovery configuration;

FIG. 5 ilustra a maneira pela qual um campo de gravidade uniforme é perturbado por uma massa;FIG. 5 illustrates the manner in which a uniform gravity field is disturbed by a mass;

FIG. 5A é uma vista de cima do campo da FIG. 5; FIG. 6 é uma vista isométrica de um gradiômetro de gravidade preferido com as partes selecionadas do mesmo rompidas por razões de clareza;FIG. 5A is a top view of the field of FIG. 5; FIG. 6 is an isometric view of a preferred gravity gradiometer with selected portions thereof broken for clarity;

FIG. 7 é um diagrama de blocos funcional apre- sentando a maneira pela qual a saida do acelerômetro do gradiômetro de gravidade da FIG. 6 é processada;FIG. 7 is a functional block diagram showing the manner in which the accelerometer output of the gravity gradiometer of FIG. 6 is processed;

FIG. 8 apresenta a derivação matemática para um protocolo especifico do dispositivo para o cancelamento das tendências do instrumento e dos auto-gradientes;FIG. 8 shows the mathematical derivation for a device-specific protocol for canceling instrument trends and aut gradients;

FIG. 9 apresenta a derivação matemática para um protocolo especifico do dispositivo para eliminar tanto os gradientes horizontais das estimativas de curvatura do gradiente como para estimar os gradientes horizontais, am- bos combinados com a tendência do instrumento de cancela- mento e os auto-gradientes;FIG. 9 presents the mathematical derivation for a device-specific protocol for eliminating both the horizontal gradients of the gradient curvature estimates and the horizontal gradients, both combined with the cancellation instrument trend and the self-gradients;

FIGS. IOA e IOB são fluxogramas de um protocolo de teste para se obter vários conjuntos de dados; eFIGS. IOA and IOB are flowcharts of a test protocol for obtaining multiple data sets; and

FIG. 11 é uma representação gráfica dos valores de gradiente em uma interface.FIG. 11 is a graphical representation of gradient values in an interface.

Melhor Modo para Realizar a InvençãoBest Mode for Carrying Out the Invention

Uma formação geológica idealizada e exemplifica- tiva possuindo camadas contendo um óleo é apresentada na FIG. 1. Como apresentado, uma camada permeada com óleo 10 está limitada na parte de cima por uma camada de teto re- lativamente impermeável 12 (conhecida como "selo") e na parte de baixo por uma camada relativamente permeável 14. A camada permeada com óleo 10 tipicamente é uma areia de grão fino ou de grão grosseiro que é impregnada por óleo cru que tipicamente se acumula entre as partículas. Em uma formação típica, as camadas podem formar uma cúpula baixa ou anticlinal sob a qual o óleo se acumula; o óleo freqüentemente é acompanhado por gás natural ou água.An idealized and exemplary geological formation having oil-containing layers is shown in FIG. 1. As shown, an oil permeable layer 10 is bordered at the top by a relatively impermeable roof layer 12 (known as a "seal") and at the bottom by a relatively permeable layer 14. The layer permeated with Oil 10 is typically a fine grain or coarse grain sand that is impregnated with crude oil that typically accumulates between the particles. In a typical formation, the layers may form a low or anticline dome under which oil accumulates; The oil is often accompanied by natural gas or water.

Nestes reservatórios que incluem gás natural, óleo e água, o gás natural tende a formar uma camada ou região acima do óleo enquanto a água tende a formar uma camada ou região abaixo do óleo. Dependendo da pressão geostática na cama- da permeada com óleo, uma parte do gás pode entrar em so- lução com o óleo. Em geral, os limites interfaciais tipi- camente são indistintos, apesar, de em alguns casos, os limites podem ser geologicamente distintos.In such reservoirs that include natural gas, oil and water, natural gas tends to form a layer or region above the oil while water tends to form a layer or region below the oil. Depending on the geostatic pressure in the oil-permeable layer, some of the gas may come into solution with the oil. In general, interfacial boundaries are typically indistinct, although in some cases the boundaries may be geologically distinct.

Como apresentado na esquerda na FIG. 1, as cama- das são deslocadas em uma direção vertical ao longo de uma linha de falha 16 de modo que a camada de rocha deslocada 14 cria um tampão 18 que define um limite lateral da cama- da permeada com óleo 10. De uma maneira similar, o costa- do de uma cúpula de sal 20, freqüentemente encontrada em associação com as camadas de óleo, define outro limite Ia- teral da camada permeado com óleo 10. Em geral, a camada permeada com óleo lateralmente limitada 10 confinada de- baixo da rocha de teto é definida como um reservatório e pode ocorrer em profundidades de várias dezenas até vários milhares de pés abaixo da superfície da terra. A repre- sentação da FIG. 1 ilustra um reservatório em uma profun- didade de várias centenas de pés e é simplesmente um exem- plo da grande variedade de configurações geológicas nas quais os reservatórios de óleo podem ser encontrados. Na FIG. 1, quatro guindastes são apresentados, cada um com um furo de mina que penetra através de várias camadas dentro da camada permeada com óleo 10. Quando um reservatório de óleo naturalmente pressurizado é inicial- mente penetrado por um furo de mina, o óleo é direcionado através do furo de mina para a superfície. Entretanto, a tempo, a pressão no reservatório diminui até o ponto onde o transporte da massa para a superfície cessa ou cai para uma taxa de fluxo inaceitável. Neste ponto, o fluxo do óleo pode ser induzido utilizando-se bombas na superfície para extrair o óleo ou através da repressurização do re- servatório por se injetar água, vapor ou um gás (isto é, dióxido de carbono ou nitrogênio) dentro do reservatório através de poços de injeção. No exemplo da FIG. 1, os dois poços na esquerda são poços de injeção injetando um fluido de repressurização dentro da camada contendo óleo 10 enquanto os dois poços à direita são poços de produção através dos quais o óleo cru é removido. A parte total- mente preta da camada permeada com óleo na direita repre- senta o óleo cru disponível enquanto a parte pontilhada da camada na esquerda representa esta parte da camada 10 na qual o óleo foi deslocado e substituído pelo fluido de ex- pulsão injetado.As shown on the left in FIG. 1, the layers are shifted in a vertical direction along a fault line 16 so that the displaced rock layer 14 creates a plug 18 that defines a lateral boundary of the oil permeated layer 10. In a manner Similarly, the backing of a salt dome 20, often found in association with the oil layers, defines another side boundary of the oil-permeable layer 10. In general, the laterally limited oil-permeable layer 10 confined to one another. Ceiling rock below is defined as a reservoir and can occur at depths of several tens to several thousand feet below the earth's surface. The representation of FIG. 1 illustrates a reservoir at a depth of several hundred feet and is simply an example of the wide variety of geological configurations in which oil reservoirs can be found. In FIG. 1, four cranes are presented, each with a mine bore that penetrates through several layers within the oil permeated layer 10. When a naturally pressurized oil reservoir is initially penetrated by a mine bore, the oil is directed through the mine hole to the surface. However, in time, the pressure in the reservoir decreases to the point where mass transport to the surface ceases or falls to an unacceptable flow rate. At this point, oil flow can be induced by using surface pumps to extract oil or by repressurizing the reservoir by injecting water, steam or a gas (ie carbon dioxide or nitrogen) into the reservoir. through injection wells. In the example of FIG. 1, the two left wells are injection wells injecting a repressurization fluid into the oil containing layer 10 while the two right wells are production wells through which crude oil is removed. The all-black part of the oil-permeable layer on the right represents the available crude oil while the dotted part of the layer on the left represents this part of the layer 10 in which the oil has been displaced and replaced by the injected extrusion fluid.

Na FIG. 1, a transição da área pontilhada para a área preta representa o limite interfacial ou "fronteira" entre o fluido de expulsão pressurizado avançando da es- querda e o óleo cru sendo deslocado por meio disso para a direita em direção aos poços de produção. A FIG. IA é uma representação idealizada da transição entre o fluido de expulsão e o óleo a ser deslocado e ilustrada um fenômeno físico que não é totalmente entendido e que pode incluir variáveis ou aspectos não apresentados. Assumindo-se que a camada permeada com óleo está totalmente saturada com óleo e no caso onde o fluido de expulsão é vapor, o vapor, que pode inicialmente ser superaquecido, sobre uma redução na temperatura à medida que ele se move para longe do pon- to de injeção e produz seu calor latente. Em algum ponto, a qualidade do vapor diminui (isto é, o conteúdo de água aumenta) ao mesmo tempo em que o calor da vaporização é transferido para o óleo circunjacente. Neste ponto, o va- por e/ou a água condensada aquecida podem ser submetidos a uma mistura forçada com o óleo e a destilação fracional induzida pelo vapor pode ocorrer, durante o que alguns dos hidrocarbonetos leves no óleo a ser deslocado são vapori- zados para misturarem-se com o vapor. Em algum ponto no processo, a qualidade do vapor cai para zero ou próxima a zero (isto é, o vapor se condensa em água quente) . Na FIG. IA, o pont ilhamento gradualmente mais denso da es- querda para a direita representa o deslocamento do óleo de seus poros. Em geral, cerca de 90% do óleo é deslocado de qualquer unidade de volume arbitrariamente definida com 10% do óleo permanecendo como óleo residual; o volume res- tante tipicamente é substituído por 30% de vapor e 60% de água. Na FIG. IA, o vapor é apresentado como sobrecortan- do o óleo, uma vez que o vapor tende a se dissipar dentro da camada permeada com óleo. O limite freqüentemente é indistinto e sua morfologia pode se alterar como resultado da água misturada nas partes mais baixas da camada permea- da com óleo e do gás natural na parte superior da camada permeada com óleo.In FIG. 1, the transition from the dotted area to the black area represents the interfacial boundary or "boundary" between the pressurized expulsion fluid advancing from the left and the crude oil being shifted thereby to the right to the production wells. FIG. IA is an idealized representation of the transition between the expulsion fluid and the oil to be displaced and illustrated a physical phenomenon that is not fully understood and may include variables or aspects not shown. Assuming that the oil permeated layer is fully saturated with oil, and in the case where the expulsion fluid is steam, the vapor, which may initially be overheated, over a reduction in temperature as it moves away from the bridge. injection and produces its latent heat. At some point, the quality of the steam decreases (that is, the water content increases) as the heat of vaporization is transferred to the surrounding oil. At this point, steam and / or heated condensed water may be forcibly mixed with the oil and fractional vapor-induced distillation may occur, during which some of the light hydrocarbons in the oil to be displaced are vaporized. to mix with the steam. At some point in the process, the steam quality drops to zero or close to zero (ie steam condenses in hot water). In FIG. 1A, the gradually denser dotting from left to right represents the displacement of oil from its pores. In general, about 90% of the oil is displaced from any arbitrarily defined volume unit with 10% of the oil remaining as waste oil; The remaining volume is typically replaced by 30% steam and 60% water. In FIG. IA, the vapor is presented as over cutting the oil as the vapor tends to dissipate within the oil permeated layer. The boundary is often indistinct and its morphology may change as a result of mixed water in the lower parts of the oil-permeable layer and natural gas in the upper part of the oil-permeable layer.

Enquanto o exemplo da FIG. 1 apresenta a recupe- ração secundária do óleo cru, a mesma configuração existe para a recuperação secundária do gás natural retido dentro dos poros da camada permeada com gás. No caso onde o reser- vatório da FIG. 1 é um dispositivo retentor de gás, o fluido injetado (tipicamente água) iria efetuar o deslocamento do gás natural capturado em direção e para os poços de produção.While the example of FIG. 1 shows the secondary recovery of crude oil, the same configuration exists for the secondary recovery of natural gas trapped within the pores of the gas permeated layer. In the case where the reservoir of FIG. 1 is a gas holding device, the injected fluid (typically water) would displace the captured natural gas towards and into the production wells.

A FIG. 2 é uma vista plana do campo da FIG. 1 apresentando um conjunto retangular de dezesseis poços lo- calizados no centro dos blocos definidos identificados com os números de fileira e de coluna. A marcação 22 na parte inferior da FIG. 2 representa a localização da linha de falha da sub-superficie 16 da FIG. Iea marcação curvili- nea 24 na parte superior da FIG. 2 representa o contorno da periferia da cúpula de sal 20 da FIG. 1. Na FIG. 2, os poços nos blocos 11, 12, 13 e 14 são poços de injeção in- jetando um fluido de expulsão dentro da camada permeável ao óleo 10 enquanto os poços restantes são poços de saida de óleo convencionais. A zona pontilhada passando parci- almente através dos blocos 21 e 11 e totalmente através dos blocos 12, 13 e 14 da esquerda para a direita na FIG. 2 representa a posição da borda da sub-superficie entre o óleo e o fluido de expulsão pressurizado. Como pode ser apreciado, o limite ou "fronteira" é indistinto e não uni- forme, refletindo as variações na permeabilidade da camada permeada com óleo 10. Em geral, o limite irá se mover com o tempo através do campo para longe dos poços de injeção em direção aos poços de produção.FIG. 2 is a plan view of the field of FIG. 1 showing a rectangular set of sixteen wells located in the center of the defined blocks identified with row and column numbers. The marking 22 at the bottom of FIG. 2 represents the location of the fault line of sub-surface 16 of FIG. The curvilinear marking 24 at the top of FIG. 2 represents the periphery contour of the salt dome 20 of FIG. 1. In FIG. 2, the wells in blocks 11, 12, 13 and 14 are injection wells injecting an expulsion fluid into the oil permeable layer 10 while the remaining wells are conventional oil outlet wells. The dotted zone passing portionwise through blocks 21 and 11 and entirely through blocks 12, 13 and 14 from left to right in FIG. 2 represents the position of the sub-surface edge between the oil and the pressurized expulsion fluid. As can be appreciated, the boundary or "boundary" is indistinct and not uniform, reflecting variations in the permeability of the oil permeable layer 10. In general, the boundary will move over time across the field away from the wells. injection into production wells.

A configuração da FIG. 2 é conhecida como uma configuração de acionamento de linha direta desde que uma linha dos poços de injeção nos blocos 11, 12, 13 e 14 bom- beia o fluido de expulsão para a camada permeada com óleo. Configurações alternativas incluem a colocação dos poços de injeção entre os poços de produção como apresentado, por exemplo, pela configuração de 5 pontos da FIG. 4. Na configuração de 5 pontos, um poço de injeção é colocado no centro de uma série de quatro poços de produção. O poço de injeção centralmente localizado injeta o fluido de ex- pulsão para criar um limite da sub-superficie que se es- tende ao redor do poço de injeção para dragar, deslocar ou direcionar o óleo em direção e para os poços de produção. Variações da configuração de 5 pontos incluem as con- figurações de 7 pontos e de 9 pontos (não apresentadas) nas quais o poço de injeção centralmente localizado é res- pectivamente cercado por sete ou nove poços de produção.The configuration of FIG. 2 is known as a direct line drive configuration provided that a line from the injection wells in blocks 11, 12, 13 and 14 pumps the expulsion fluid into the oil permeated layer. Alternative configurations include the placement of injection wells between production wells as shown, for example, by the 5-point configuration of FIG. 4. In the 5-point configuration, an injection well is placed in the center of a series of four production wells. The centrally located injection well injects the expulsion fluid to create a subsurface boundary that extends around the injection well to dredge, displace or direct the oil towards and into production wells. Variations in the 5-point configuration include 7-point and 9-point configurations (not shown) in which the centrally located injection well is respectively surrounded by seven or nine production wells.

A FIG. 3 é uma representação do campo da FIG. 2 deslocado no tempo para apresentar a migração do limite entre o fluido de expulsão e o óleo a ser deslocado atra- vés de um período de tempo. Em geral, a diferença de tem- po entre a FIG. 2 e a FIG. 3 pode ser medida em semanas, meses ou anos, dependendo do tamanho do reservatório en- volvido e das taxas de injeção e de produção. Como apre- sentado, o limite movido adicionalmente para longe dos po- ços de injeção com partes diferentes da fronteira movendo- se em velocidades diferentes para substancialmente alterar a morfologia do limite. Mais especificamente, o limite na esquerda moveu-se passando pelos poços nos blocos 21 e 31 enquanto o limite a direita moveu-se somente passando o poço no bloco 24. Adicionalmente, uma parte do limite en- tre os poços nos blocos 22 e 23 moveu-se para dentro e em direção ao poço no bloco 33. A morfologia particular a- presentada entre os poços nos blocos 22 e 23 dentro do bloco 33 é altamente sugestiva de uma zona de furto, isto é, de um volume de material de permeabilidade relativamen- te mais alta que permite ao fluido de expulsão pressuriza- do formar um canal através da mesma que pode perfurar até um poço de produção e substancialmente reduzir a eficiên- cia da recuperação.FIG. 3 is a representation of the field of FIG. 2 time shifted to show the migration of the boundary between the expulsion fluid and the oil to be displaced over a period of time. In general, the time difference between FIG. 2 and FIG. 3 can be measured in weeks, months or years, depending on the size of the reservoir involved and the injection and production rates. As shown, the boundary moved further away from the injection wells with different parts of the boundary moving at different speeds to substantially alter the boundary morphology. More specifically, the left boundary moved past the wells in blocks 21 and 31 while the right boundary moved only past the wells in block 24. Additionally, a portion of the boundary between the wells in blocks 22 and 23 moved in and toward the well in block 33. The particular morphology shown between the wells in blocks 22 and 23 within block 33 is highly suggestive of a theft zone, that is, a volume of material of Relatively higher permeability that allows the pressurized expulsion fluid to form a channel therethrough that can drill into a production well and substantially reduce recovery efficiency.

A informação sobre a posição, extensão, morfolo- gia e velocidade do limite com o tempo seria valiosa ao se gerenciar os poços de injeção para otimizar a área dragada pelo limite que se move e portanto otimizar a recuperação. A informação relacionando-se com as alterações no tempo da camada de óleo é útil ao se prognosticar as tendências de diminuição, identificando a localização e a extensão dos recursos restantes e proporciona a informação sobre a co- locação de novos poços de injeção e de produção para de forma ótima aumentar a produção.Information about the position, extent, morphology and speed of the boundary over time would be valuable when managing injection wells to optimize the dredged area by the moving boundary and thus optimize recovery. Information relating to changes in oil layer time is useful in predicting downward trends, identifying the location and extent of remaining resources, and providing information on the location of new injection and production wells. optimally increase production.

No contexto da FIG. IA, a densidade de uma uni- dade de volume arbitrária é uma função da densidade dos fluidos de líquido e de gás, das saturações do fluido de líquido e de gás, da densidade da matriz da rocha e da po- rosidade da rocha. A alteração na densidade Δρ para uma unidade de volume do reservatório Δν pode ser representada como:In the context of FIG. IA, the density of an arbitrary volume unit is a function of liquid and gas fluid density, liquid and gas fluid saturations, rock matrix density, and rock porosity. The change in density Δρ for a reservoir volume unit Δν may be represented as:

<formula>formula see original document page 21</formula><formula> formula see original document page 21 </formula>

onde pf é a densidade do líquido, Af é a altera- ção na saturação do líquido, pg é a densidade do gás e Δ9 é a alteração na saturação do gás.where pf is the liquid density, Af is the change in liquid saturation, pg is the gas density and Δ9 is the change in gas saturation.

Em geral, a rocha possui uma densidade típica de entre cerca de 1,9 até 3,0 g/cm3 e o óleo possui uma den- sidade de entre 0,7 g/cm3 no caso de óleo leve e 0,9 g/cm3 no caso de óleo mais pesado; por conseqüência, o material permeável ao óleo pode ser visto como possuindo uma densi- dade composta. À medida que o fluido de expulsão desloca e substitui o óleo capturado, a densidade composta se al- tera como uma conseqüência do deslocamento do óleo e da ocupação dos poros pelo óleo residual e pelo material de expulsão. No caso de uma unidade de volume arbitrária no ponto "A" na FIG. IA, a densidade é uma função da matriz da rocha, do óleo residual (cerca de 10%) e do vapor mais recente introduzido (cerca de 30%) e da água (cerca de 60%) . Portanto, a diferença da densidade entre as unidades de volume no ponto "A" e no ponto "B" na FIG. IA representa um contraste da densidade que irá afetar o gradiente de gravidade local de modo que as alterações neste gradiente podem ser veri- ficadas na superfície. Em geral, o contraste da densidade será menor do que uns poucos décimos de um grama/cm3; acredita-se que a dimensão lateral da zona de transição através da qual o ajuste da. densidade ocorre está na faixa de centenas e milhares de centímetros (entre dezenas e centenas de pés) .In general, the rock has a typical density of about 1.9 to 3.0 g / cm3 and the oil has a density of between 0.7 g / cm3 for light oil and 0.9 g / cm3. cm3 for heavier oil; consequently, the oil permeable material can be viewed as having a compound density. As the expulsion fluid shifts and replaces the captured oil, the compound density will change as a consequence of the oil displacement and pore occupancy by the waste oil and the expulsion material. In the case of an arbitrary volume unit at point "A" in FIG. IA, density is a function of the rock matrix, residual oil (about 10%) and the most recent steam introduced (about 30%) and water (about 60%). Therefore, the density difference between the volume units at point "A" and point "B" in FIG. IA represents a density contrast that will affect the local gravity gradient so that changes in this gradient can be verified on the surface. In general, the density contrast will be less than a few tenths of a gram / cm3; It is believed that the lateral dimension of the transition zone through which the adjustment of the. Density occurs is in the range of hundreds and thousands of centimeters (between tens and hundreds of feet).

O campo de gravitação da terra varia entre um baixo de cerca de 97,8 m/s2 a 9,83 m/s2 (978 gals no equa- dor até cerca de 983 gals) nos pólos com gradientes carac- terizados em unidades Eotvos, onde uma unidade Eotvos é igual a 10-9seg-2. Para uma esfera homogênea idealizada, uma superfície equipotencial fora da esfera também é esfé- rica. Entretanto, as não homogeneidades de densidade na esfera dão origem a uma superfície equipotencial que não seja esférica; para tal superfície, a curvatura de qualquer ponto é diferente em direções diferentes. As duas direções ao longo das quais a curvatura é máxima e mínima são denominadas como direções principais; a diferença na curvatura ao longo destas duas direções é denominada de curvatura diferencial, como explicado mais totalmente abaixo. No contexto da terra, as variações locais na gravidade são causadas por desvios na superfície da terra a partir de uma esfera geométrica, da geologia da superfície, marés das águas, tendências at- mosféricas e a alteração na posição relativa da terra, da lua de do sol. Para qualquer unidade de volume relativa- mente pequena no espaço livre, um campo de gravidade idea- lizado pode ser visto como um conjunto de linhas de campo unidirecionais alinhadas ao longo da vertical local e pos- suindo magnitude zero nas direções x, y. No caso de uma massa ser colocada dentro desta unidade de volume, o campo de gravidade será perturbado. Por exemplo e como apresen- tado na FIG. 5, uma massa densa cilindricamente formatada M possuindo extremidades hemisferoidais e um comprimento finito ao longo de um eixo principal localizado no centro de uma unidade de volume arbitrário irá perturbar o campo de gravidade local dentro desta unidade de volume a fazer com que estas linhas de campo mais próximas da massa M curvem-se em direção à massa M e as linhas do campo próxi- mas removidas das linhas de campo mais próximas se curvem em direção à massa M alguma coisa menos.The earth's gravity field ranges from a low of about 97.8 m / s2 to 9.83 m / s2 (978 gals in the equator to about 983 gals) at poles with gradient gradients in Eotvos units, where an Eotvos unit equals 10-9sec-2. For an idealized homogeneous sphere, an equipotential surface outside the sphere is also spherical. However, density homogeneities in the sphere give rise to a non-spherical equipotential surface; For such a surface, the curvature of any point is different in different directions. The two directions along which the curvature is maximum and minimum are termed as main directions; The difference in curvature along these two directions is called differential curvature, as explained more fully below. In the earth context, local variations in gravity are caused by deviations on the earth's surface from a geometric sphere, surface geology, water tides, atmospheric trends, and the change in the relative position of the earth, from the moon of of the sun. For any relatively small unit of volume in free space, an idealized field of gravity can be viewed as a set of unidirectional field lines aligned along the local vertical and having zero magnitude in x, y directions. Should a mass be placed within this volume unit, the gravity field will be disturbed. For example and as shown in FIG. 5, a cylindrically shaped dense mass M having hemispheroidal ends and a finite length along a major axis located in the center of an arbitrary volume unit will disturb the local gravity field within this volume unit causing these field lines closest to mass M bend toward mass M and the near field lines removed from the nearest field lines bend toward mass M somewhat less.

Para qualquer ponto de observação dentro de uma unidade de volume arbitrária, o campo de gravidade neste ponto de observação pode ser resolvido em componentes x, y, ζ dos quais o vetor ζ irá possuir a maior magnitude e os vetores x, y irão possuir as respectivas magnitudes que são função da localização do ponto de observação em rela- ção à massa que está perturbando M. Para os pontos de ob- servação em um plano acima ou abaixo da massa M na FIG. 5, a informação de vetor neste ponto de observação irá pro- porcionar a informação de declinação ou de inclinação como a perturbação do campo. No contexto do exemplo da FIG. 5A, um número suficiente de observações em um plano acima da massa M (ou um plano abaixo da massa M) irá criar um conjunto de dados a partir do qual uma ou mais superfícies isopotenciais podem ser obtidas, o que graficamente define a perturbação no campo de gravidade causada pela introdu- ção da massa M. Em geral, o campo de gravidade ao longo do eixo z pode ser medido por gravimetros de um eixo dos quais um tipo comum utiliza lasers e um relógio de alta precisão para cronometrar uma massa caindo entre dois pontos verti- calmente espaçados em um espaço evacuado. Gradiômetros, distintos dos gravimetros, medem os gradientes de curvatu- ra (ou curvatura diferencial ou elipsidade das superfícies de gravidade equipotenciais), gradientes horizontais (ou a taxa de alteração do aumento da gravidade na direção hori- zontal), ou gradientes verticais (ou a taxa de aumento da gravidade na direção vertical). Vários processos e ins- trumentos foram desenvolvidos para medir o gradiente de gravidade. Estes processos e instrumentos incluem o des- vio lateral de uma massa suspensa a partir de uma corda (método de Bouguer) e a flexão torsional exercida sobre uma viga horizontalmente suspensa carregando massas desi- guais em cada extremidade (Vigas de Cavendish e Eotvos). Gradiômetros de gravidade modernos utilizam acelerômetros de restauração de força para medir os componentes x, y la- terais do gradiente de gravidade. Em geral e na sua forma mais simples, um acelerômetro utiliza uma massa suspensa na extremidade de uma viga que pode ceder. Qualquer des- vio na posição da massa a partir de uma posição nula cau- sado por uma aceleração experimentada pela massa é detec- tada e a massa restaurada para sua posição nula por um campo magnético aplicado por uma bobina de restauração. O fluxo da corrente na bobina de restauração é proporcional à aceleração experimentada pela massa. Alguns gradiômetros de gravidade modernos utili zam vários pares de acelerômetros que são movidos em uma velocidade constante ao longo de um caminho orbital ao re- dor de um eixo. A informação de cada acelerômetro em qualquer posição angular na órbita proporciona a informa- ção sobre a aceleração lateral experimentada pela acelera- ção. No contexto da FIG. 5A, um acelerômetro movendo-se em uma velocidade angular constante ao redor de um caminho orbital no plano de observação acima da massa M irá expe- rimentar as acelerações positiva e negativa nas direções x, y e emitir uma forma de onda sinusoidal que é modulada com a informação de anomalia da gravidade neste plano de observação. Onde o plano de observação é normal à verti- cal local, a saida do acelerômetro não contém um componen- te representativo do eixo z. Ao contrário e como explica- do abaixo no contexto do protocolo de teste preferido, se o acelerômetro estiver em um plano de observação que está inclinado em relação às linhas do campo, a saida do acele- rômetro também será modulada com a informação do eixo z.For any observation point within an arbitrary volume unit, the field of gravity at this observation point can be resolved into x, y, componentes components of which the vector ζ will have the greatest magnitude and the vectors x, y will have the respective magnitudes that are a function of the location of the observation point in relation to the mass that is disturbing M. For the observation points in a plane above or below the mass M in FIG. 5, the vector information at this observation point will provide the declination or slope information as the field disturbance. In the context of the example of FIG. 5A, a sufficient number of observations in a plane above the mass M (or a plane below the mass M) will create a dataset from which one or more isopotential surfaces can be obtained, which graphically defines the perturbation in the field. of gravity caused by the introduction of the M-mass. In general, the gravity field along the z-axis can be measured by single-axis gravimeters of which a common type uses lasers and a high-precision clock to time a mass falling between two points vertically spaced in an evacuated space. Gradiometers, unlike gravimeters, measure curvature gradients (or differential curvature or ellipity of equipotential gravity surfaces), horizontal gradients (or the rate of change of gravity increase in the horizontal direction), or vertical gradients (or the rate of gravity increase in the vertical direction). Various processes and instruments have been developed to measure the gravity gradient. These processes and instruments include lateral bending of a suspended mass from a rope (Bouguer's method) and torsional flexion exerted on a horizontally suspended beam carrying unequal masses at each end (Cavendish and Eotvos beams). Modern gravity gradiometers use force restoration accelerometers to measure the x, y side components of the gravity gradient. In general and in its simplest form, an accelerometer uses a suspended mass at the end of a beam that can sag. Any deviation in the position of the mass from a null position caused by an acceleration experienced by the mass is detected and the mass restored to its null position by a magnetic field applied by a restoration coil. The current flow in the restoration coil is proportional to the acceleration experienced by the mass. Some modern gravity gradiometers use several pairs of accelerometers that move at a constant velocity along an orbital path around an axis. The information from each accelerometer at any angular position in the orbit provides the information about lateral acceleration experienced by acceleration. In the context of FIG. 5A, an accelerometer moving at a constant angular velocity around an orbital path in the plane of observation above mass M will experience positive and negative accelerations in the x directions, and emit a sinusoidal waveform that is modulated with the severity anomaly information in this observation plan. Where the observation plane is normal to the local vertical, the accelerometer output does not contain a representative component of the z axis. Conversely and as explained below in the context of the preferred test protocol, if the accelerometer is in an observation plane that is inclined to the field lines, the accelerometer output will also be modulated with the z-axis information. .

Um gradiômetro de gravidade adequado para a pre- sente invenção inclui um instrumento de gradiente de gra- vidade (GGI) vendido pela Lockheed Martin Corporation (Bu- ffalo, NY, USA); o GGI da Lockheed Martin, cuja estrutura básica é apresentada na FIG. 6, é preferido no contexto da presente invenção. A estrutura e a operação básica do GGI da Lockheed Martin é descrita na Patente dos Estados Uni- dos N- 5.357.802, expedida em 25 de outubro de 1994, para Hofmeyer e Affleck e intitulada "Rotating Accelerometers Gradiometer", cuja revelação é incorporada pelo presente por referência.A gravity gradiometer suitable for the present invention includes a gravity gradient instrument (GGI) sold by Lockheed Martin Corporation (Buffalo, NY, USA); Lockheed Martin's GGI, whose basic structure is shown in FIG. 6, is preferred in the context of the present invention. The structure and basic operation of the Lockheed Martin GGI is described in United States Patent No. 5,357,802, issued October 25, 1994, to Hofmeyer and Affleck entitled "Rotating Accelerometers Gradiometer", the disclosure of which is incorporated. hereby by reference.

Como apresentado nas FIGS. 6 e 7, o GGI inclui oito acelerômetros 100 montados em um raio comum e equies- pagados ao redor da periferia de uma montagem de rotor 102 que é girado em uma velocidade angular constante e contro- lada ao redor de um eixo de rotação Ax. A montagem de ro- tor 102 inclui o rotor 104 portado em um eixo de suporte 106 para rotação com o mesmo. A montagem de rotor 102 é montada de forma que possa ser girada nos mancais esféri- cos 108 e, por sua vez, portada em um conjunto de montagem flexível de isolamento de vibração 110. Os componentes e- letrônicos de processamento 112 são montados no rotor 104 adjacentes a cada acelerômetro 100 para processar o sinal de saída dos mesmos como explicado abaixo no contexto da FIG. 7. Um alojamento interno 114 contém o conjunto rotor 102 e é projetado para girar com a montagem de rotor 102. Um alojamento externo 116 contém os componentes interiores e inclui um ou mais aquecedores 118 projetados para operar o instrumento em alguma temperatura controlada acima do am- biente (isto é, cerca de 46,Il0C (115°F)) e também inclui um escudo de campo magnético 120. Uma montagem de anel coletor 122 na extremidade superior do eixo de montagem 106 proporciona a interface elétrica/de sinal com a monta- gem de rotor 102 e os dispositivos ativos na mesma. Um codificador do eixo 124 na extremidade inferior do eixo de montagem. 106 coopera com um pick off do codificador 126 para proporcionar a informação da posição giratória. A saída do pick off do codificador 126 é proporcionada para um computador e um controlador de velocidade, que, por sua vez controla um motor de acionamento 128 na extremidade superior da unidade para proporcionar uma velocidade gira- tória controlada.As shown in FIGS. 6 and 7, the GGI includes eight common radius accelerometers 100 mounted around the periphery of a rotor assembly 102 which is rotated at a constant angular velocity and controlled around an axis of rotation Ax. The rotor assembly 102 includes the rotor 104 carried on a support shaft 106 for rotation therewith. Rotor assembly 102 is rotatably mounted on spherical bearings 108 and in turn carried in a flexible vibration isolation mounting assembly 110. Electronic processing components 112 are mounted on rotor 104 adjacent each accelerometer 100 to process their output signal as explained below in the context of FIG. 7. An internal housing 114 contains rotor assembly 102 and is designed to rotate with rotor assembly 102. An external housing 116 contains interior components and includes one or more heaters 118 designed to operate the instrument at any controlled temperature above ambient. (i.e. about 46,10 ° C (115 ° F)) and also includes a magnetic field shield 120. A slip ring assembly 122 at the upper end of the mounting shaft 106 provides the electrical / signal interface with the rotor assembly 102 and the active devices therein. A shaft encoder 124 at the lower end of the mounting shaft. 106 cooperates with a pick off of encoder 126 to provide rotary position information. The pick off output of encoder 126 is provided for a computer and a speed controller, which in turn controls a drive motor 128 at the upper end of the unit to provide a controlled rotational speed.

Cada acelerômetro 100 proporciona uma saída ana- lógica sinusoidalmente variante que é uma função da acele- ração experimentada por cada acelerômetro à medida que o acelerômetro orbita o eixo giratório. Para um gradiômetro possuindo seu eixo giratório alinhado ao longo das linhas do campo em um campo de gravidade idealmente uniforme e não perturbado, cada acelerômetro experimenta as mesmas forças de aceleração à medida que ele continua ao longo de seu caminho orbital. Entretanto, onde o campo de gravida- de local é perturbado pela presença de uma ou mais massas e/ou o eixo giratório está inclinado em relação às linhas do campo vertical local, cada acelerômetro irá experimen- tar acelerações diferentes durante toda a sua órbita. A saída quantitativa de cada acelerômetro, acoplada com sua posição giratória, proporciona a informação relacionada com os gradientes de gravidade locais.Each accelerometer 100 provides a sinusoidally variant analog output that is a function of the acceleration experienced by each accelerometer as the accelerometer orbits the rotary axis. For a gradiometer having its spin axis aligned along the field lines in an ideally uniform and undisturbed field of gravity, each accelerometer experiences the same acceleration forces as it continues along its orbital path. However, where the local gravity field is disturbed by the presence of one or more masses and / or the rotary axis is inclined relative to the local vertical field lines, each accelerometer will experience different accelerations throughout its orbit. The quantitative output of each accelerometer coupled with its rotary position provides information related to local gravity gradients.

Em qualquer ponto de observação, o gradiente de gravidade é uma derivada de segunda ordem do ajustador de escala de potencial de gravidade Γ e é representada por um tensor simétrico de nove componentes de segunda ordem Γi, como se segue:At any point of view, the gravity gradient is a second-order derivative of the gravity potential scale adjuster Γ and is represented by a symmetrical nine-component second-order tensor Γi as follows:

<formula>formula see original document page 27</formula> <formula>formula see original document page 28</formula><formula> formula see original document page 27 </formula> <formula> formula see original document page 28 </formula>

Os componentes ΓΧ;Ζ e Γγ,ζ são aproximadamente i- guais à variação da força da gravidade ao longo das dire- ções χ e y, respectivamente e são conhecidos como os com- ponentes de gradiente horizontal e Γ2(Ζ é conhecido como o gradiente vertical da gravidade. A curvatura diferencial está relacionada com ΓΧ;Χ, ry,y e com ΓΧ(Υ, como se segue:The components ΓΧ; Ζ and Γγ, ζ are approximately equal to the variation of the force of gravity along the χ and y directions, respectively, and are known as the horizontal gradient and Γ2 components (Ζ is known as the gradient gravity curvature Differential curvature is related to ΓΧ; Χ, ry, y and ΓΧ (Υ, as follows:

<formula>formula see original document page 28</formula><formula> formula see original document page 28 </formula>

onde F é a força da gravidade.where F is the force of gravity.

Em adição à curvatura diferencial da Eq. 2, um vetor de curvatura cuja magnitude é igual à curvatura di- ferencial também é definido pelo valor λ como se segue:In addition to the differential curvature of Eq. 2, a curvature vector whose magnitude is equal to the differential curvature is also defined by the value λ as follows:

<formula>formula see original document page 28</formula><formula> formula see original document page 28 </formula>

onde λ é o ângulo do vetor de curvatura diferen- cial relativo ao eixo x.where λ is the angle of the differential curvature vector relative to the x axis.

Como é conhecido, os elementos diagonais são in- variantes escalares e conformam-se com a relação de Lapla- cian:As is known, the diagonal elements are scalar in- variant and conform to the Laplacian relationship:

<formula>formula see original document page 28</formula><formula> formula see original document page 28 </formula>

a partir da qual se segue: <formula>formula see original document page 29</formula>from which it follows: <formula> formula see original document page 29 </formula>

Adicionalmente, três pares de nove elementos são simetricamente iguais, isto é, ΓΧ/z = Γz,x, Ty,z = rz,y e fi- nalmente, ΓΧ(γ = ry,x de modo que o tensor é caracterizado por cinco componentes independentes.Additionally, three pairs of nine elements are symmetrically equal, that is, ΓΧ / z = Γz, x, Ty, z = rz, y and finally ΓΧ (γ = ry, x so that the tensor is characterized by five components independent.

Os gradientes Ty,y - Γx,x e 2Γx,y na Eq. 1 são dois componentes de gradiente de curvatura, enquanto Γχ,z e Ty,z são os dois componentes de gradiente horizontal; Γz,z é o componente de gradiente vertical.The gradients Ty, y - Γx, x and 2Γx, y in Eq. 1 are two curvature gradient components, while Γχ, z and Ty, z are the two horizontal gradient components; ,Z, z is the vertical gradient component.

A saida dos acelerômetros é processada de acordo com o diagrama de blocos da FIG. 7; o processamento pode ser efetuado por dispositivos funcionais de estado sólido separados, por software ou por microprocessadores ou com- putadores controlados por firmware, por um circuito inte- grado de aplicação especifica (ASIC) ou por qualquer com- binação dos mesmos.The output of the accelerometers is processed according to the block diagram of FIG. 7; processing can be performed by separate solid state functional devices, software, or firmware-controlled microprocessors or computers, an application-specific integrated circuit (ASIC), or any combination thereof.

Como apresentado, as saídas pré-processadas dos oito acelerômetros 100 do instrumento de gradiente de gra- vidade GGI da FIG. 6 são divididas em dois grupos Ά' e λΒ' de quatro com cada grupo subdividido em dois subgru- pos, isto é, (A1, A2), (A3, A4 ) , (B1, B2) e (B3, B4).As shown, the preprocessed outputs of the eight accelerometers 100 of the GGI gravity gradient instrument of FIG. 6 are divided into two groups Ά 'and λΒ' of four with each group subdivided into two subgroups, namely (A1, A2), (A3, A4), (B1, B2) and (B3, B4).

As saídas do acelerômetro Al, A2 são apresenta- das para as entradas do dispositivo de soma SUM (A1 + A2) e as saídas A3, A4 são igualmente apresentadas para um di- spositivo de soma SUM (A3 + A4) . As saídas somadas dos dispositivos SUM (A1 + A2) e SUM (A3 + A4) são apresenta- das para um subtraidor SUB-A. De uma maneira similar, as saídas do acelerômetro Bl, B2 são apresentadas para as en- tradas do dispositivo de soma SUM (BI + B2) e as saídas B3, B4 são igualmente apresentadas para um dispositivo de soma SUM (B3 + B4). As saídas somadas dos dispositivos SUM (BI + B2) e SUM (B3 + B4) são apresentadas para um subtraidor SUB-B. A soma dos sinais dos acelerômetros diametralmente opostos 100 efetivamente cancela o compo- nente da aceleração devido a qualquer deslocamento no con- junto rotor no plano XY. A operação de diferença nos cir- cuitos de subtração SUB-A e SUB-B remove o efeito de qual- quer aceleração angular da montagem do rotor que possa o- correr em resposta aos sinais de correção da velocidade angular enviados para o motor por seu controlador de velo- cidade .Accelerometer outputs A1, A2 are shown for summation device inputs SUM (A1 + A2) and outputs A3, A4 are also shown for summation device SUM (A3 + A4). The summed outputs of the SUM (A1 + A2) and SUM (A3 + A4) devices are displayed for a SUB-A subtractor. Similarly, the accelerometer outputs Bl, B2 are shown for summation device inputs SUM (BI + B2) and outputs B3, B4 are also shown for summation device SUM (B3 + B4). The summed outputs of the SUM (BI + B2) and SUM (B3 + B4) devices are displayed for a SUB-B subtractor. The sum of the diametrically opposed accelerometer signals 100 effectively cancels the acceleration component due to any displacement of the rotor assembly in the XY plane. The difference operation in the SUB-A and SUB-B subtraction circuits removes the effect of any angular acceleration of the rotor assembly that may occur in response to angular velocity correction signals sent to the motor by its motor. speed controller.

Um conjunto de quatro demoduladores demodula as saídas dos dispositivos de subtração SUB-A e SUB-B em res- posta aos sinais de referência em fase e de quadratura em duas vezes a freqüência rotacional da montagem do rotor e por uma fonte do sinal de referência. A fonte do sinal de referência pode incluir um oscilador de repetição travado na fase travado em fase com as revoluções da montagem do rotor 102 em resposta à saída do pickoff do codificador 126. O seno do sinal de referencia em fase 2ΩΤ é aplica- do para os demoduladores DEMOD-SA e DEMOD-SB conectados, respectivamente, com os terminais de saída dos circuitos de subtração SUB-A e SUB-B. De uma maneira similar, o co- seno do sinal de referência de quadratura 2ΩΤ conectado com os demoduladores DEMOD-CA e DEMOD-CB, também conecta- dos, respectivamente, com os terminais de saída dos cir- cuitos de subtração SUB-A e SUB-B. Os sinais de saída dos quatro demoduladores DEMOD-SA, DEMOD-SB, DEMOD-CA e DEMOD- CB tomam a forma de valores quadrados dos sinais de seno e de co-seno. Mais especificamente, o DEMOD-SA emite um va- lor 2r (Γχχ-Γγγ) seno22QT e os termos 4ΩΤ associados, o demo- dulador DEMOD-CA emite um valor 4Rrxyco-seno22Qt e os ter- mos 4Qt, o demodulador DEMOD-SB emite um valor menos 4Rrxyseno22Qt e os termos 4Qt e finalmente, o demodulador DEMOD-CB emite um valor 2R (Γχχ-Γγγ) co-seno22Qt e os termos 4Qt. 0 termo 2R é a distância entre conjuntos de acele- rômetros opostos, isto é, a distância entre o par de ace- lerômetros Al e A2.A set of four demodulators demodulate the outputs of the SUB-A and SUB-B subtraction devices in response to phase and quadrature reference signals at twice the rotor mounting rotational frequency and by a reference signal source. . The reference signal source may include a phase locked repeat oscillator locked with the rotor assembly revolutions 102 in response to the pickoff output of encoder 126. The sine of the phase reference signal 2ΩΤ is applied to DEMOD-SA and DEMOD-SB demodulators connected respectively to the output terminals of the SUB-A and SUB-B subtraction circuits. Similarly, the quadrature reference signal cosine 2ΩΤ connected to the DEMOD-CA and DEMOD-CB demodulators, also connected respectively to the output terminals of the subtraction circuits SUB-A and SUB-B. The output signals of the four DEMOD-SA, DEMOD-SB, DEMOD-CA, and DEMOD-CB demodulators take the form of square values of the sine and cosine signals. More specifically, DEMOD-SA outputs a value 2r (Γχχ-Γγγ) seno22QT and the associated 4ΩΤ terms, the DEMOD-CA demodulator outputs a 4Rrxyco-seno22Qt value and the terms 4Qt, the DEMOD-SB demodulator outputs a value minus 4Rrxyseno22Qt and the terms 4Qt and finally, the DEMOD-CB demodulator outputs a 2R (Γχχ-Γγγ) value cosine22Qt and the terms 4Qt. The term 2R is the distance between sets of opposite accelerometers, that is, the distance between the pair of accelerometers Al and A2.

O circuito de soma SUM-A aceita o sinal de saída dos demoduladores DEMOD-SA e do DEMOD-CB e proporciona a saída somada através de um filtro de banda baixa LP-A. De uma maneira similar, o circuito de soma SUM-B aceita o si- nal de saída dos demoduladores DEMOD-SB e DEMOD-CA e pro- porciona a saída somada através de um filtro de banda bai- xa LP-B.The sum circuit SUM-A accepts the output signal from the DEMOD-SA and DEMOD-CB demodulators and provides the summed output through an LP-A low band filter. Similarly, the SUM-B sum circuit accepts the output signal from the DEMOD-SB and DEMOD-CA demodulators and provides the summed output through an LP-B lowband filter.

Os sinais de saída dos demoduladores DEMOD-SA, DEMOD-SB, DEMOD-CA e DEMOD-CB incluem os componentes de alta freqüência em termos de freqüências iguais a quatro vezes a freqüência rotacional da montagem do rotor. Os dados de gradiente, independentes de um fator de escala, são fornecidos por ambos os componentes sinusóide quadrado e co-sinusóide quadrado dos sinais demodulados. Estes componentes somam juntos nos circuito de soma SUM-A e SUM-B para proporcionar um valor DC (corrente continua) dos dados de gradiente, junto com os componentes de alta freqüência. Os filtros de banda baixa LP-A e LP-B funcio- nam, respectivamente, para filtrar os sinais de saida dos circuitos de soma SUM-A e SUM-B e atenuar os componentes de alta freqüência de modo a proporcionar os componentes DC desejados dos sinais representando os dados de gradien- te. Os dados de gradiente são emitidos a partir do filtro de banda baixa LP-A em forma de uma expressão que inclui o termo 2R(Txx-Tyy) e a partir do filtro de banda baixa LP-B na forma da expressão 4R(Txy).The output signals from the DEMOD-SA, DEMOD-SB, DEMOD-CA, and DEMOD-CB demodulators include the high frequency components in terms of frequencies equal to four times the rotational frequency of the rotor assembly. Gradient data, independent of a scale factor, is provided by both square sinusoid and square co-sinusoid components of demodulated signals. These components sum together in the sum circuits SUM-A and SUM-B to provide a DC (direct current) value of the gradient data, along with the high frequency components. The low-band filters LP-A and LP-B function, respectively, to filter the output signals of the sum circuits SUM-A and SUM-B and attenuate the high frequency components to provide the desired DC components. of the signals representing the gradient data. Gradient data is output from the LP-A lowband filter as an expression that includes the term 2R (Txx-Tyy) and from the LP-B lowband filter as an expression of 4R (Txy) .

A divisão das saldas 2R(Txx-Tyy) e 4R(Xxy) por 2R produz dois resultados, (Γχχ-Γγγ) e 2(Γχγ), que definem o vetor de curvatura; a magnitude do vetor de curvatura é conhecida como a "curvatura diferencial" ou a "tendência de direção horizontal" e é a raiz quadrada da soma de (Tx x-Tyy) com (2Txy)The division of the 2R (Txx-Tyy) and 4R (Xxy) outputs by 2R produces two results, (Γχχ-Γγγ) and 2 (Γχγ), which define the curvature vector; the magnitude of the curvature vector is known as the "differential curvature" or the "horizontal direction trend" and is the square root of the sum of (Tx x-Tyy) with (2Txy)

A direção λ do vetor de curvatura com respeito ao eixo X é representada por:The direction λ of the curvature vector with respect to the X axis is represented by:

λ = -1/2 tan"1 (2Txy/(Tyy-Txx) )λ = -1/2 tan "1 (2Txy / (Tyy-Txx))

A descrição acima em relação a FIG. 7 apresenta a função do GGI quando os eixos sensitivos do acelerômetro estão no plano normal ao vertical. Nesta orientação, o instrumento é otimizado para perceber os componentes x, y do gradiente de gravidade. Entretanto, uma série de erros pode ser introduzida na saida do sinal como uma conseqüên- cia da estrutura do proprio instrumento. No projeto do GGI, a massa é solicitada para ser distribuída de uma ma- neira uniforme e simétrica ao redor do eixo de rotação Ax. Pelo motivo do GGI utilizar dispositivos separados, algu- mas assimetrias da massa saem ao redor do eixo giratório. Adicionalmente, o GGI não é simétrico em relação à massa acima e abaixo do plano do rotor 104. Ao mesmo tempo em- que a assimetria da massa é pequena, a assimetria é fisi- camente próxima aos acelerômetros e é acreditada como pos- suindo uma influência como um componente de erro. De acordo com a presente invenção e como expli- cado abaixo em relação ao protocolo de teste da FIG. 10, o GGI é operado em pelo menos duas direções ortogonalmente espaçadas (isto é, 90 graus). Desde que a tendência espe- cífica do instrumento e os erros de gradiente especí- ficos do instrumento são "fixos" para o próprio instru- mento e para suas estruturas conectadas, a rotação do GGI ao redor de seu eixo giratório para as duas direções ortogonais não irá alterar os valores da tendência especí- fica do instrumento e os erros de gradiente específicos do instrumento ao mesmo tempo, concorrentemente, os sinais dos gradientes fixos da terra são invertidos. Por calcu- lar a média das diferenças entre os conjuntos de medidas em duas direções ortogonais, os valores absolutos dos gra- dientes de curvatura da terra podem ser obtidos desde que a tendência específica do instrumento e os gradientes es- pecíficos do instrumento irão se cancelar. Como explicado na apresentação matemática da FIG. 8, a saida primária do GGI pode ser caracterizada co- mo um componente I/L "em linha" e a saída secundária pode ser caracterizada como um componente CR "transversal". No contexto do digrama de blocos funcional da FIG. 7, os com- ponentes em linha e transversal podem ser designados como apresentado na EQ. 1 e na EQ. 2 na FIG. 8. O eixo χ do GGI pode ser alinhado, por exemplo, com o norte e utili- zando a Seqüência de ângulos de Euler, os gradientes de curvatura medidos pelo plano x,y do instrumento podem ser expressos como uma função dos gradientes de curvatura fi- xos da terra no contexto norte (n) e leste (e) como repre- sentado pela EQ. 3 e EQ. 4 da FIG. 8. As saídas em linha do GGI em uma direção azimute norte (0 graus) é represen- tada na FIG. 8 por I/L(H=0°) e para a medida ortogonal por I/L(H-90°). De uma maneira similar, as saídas transver- sais do GGI em uma direção norte e leste são representadas por CR(H=Og) e para a medida ortogonal por CR(H=90°) de modo que os valores livres de tendência do gradiente de curvatura podem ser obtidos a partir da EQ 5 até a EQ. 9 na FIG. 8.The above description with respect to FIG. 7 shows the function of GGI when the accelerometer sensitive axes are in the normal to vertical plane. In this orientation, the instrument is optimized to understand the x, y components of the gravity gradient. However, a series of errors may be introduced into the signal output as a consequence of the structure of the instrument itself. In the GGI design, mass is required to be distributed in a uniform and symmetrical manner around the axis of rotation Ax. Because GGI uses separate devices, some asymmetries of the mass come out around the rotary axis. In addition, the GGI is not symmetrical with respect to the mass above and below the rotor plane 104. While the mass asymmetry is small, the asymmetry is physically close to the accelerometers and is believed to have a influence as an error component. In accordance with the present invention and as explained below with respect to the test protocol of FIG. 10, the GGI is operated in at least two orthogonally spaced directions (i.e. 90 degrees). Since the instrument's specific bias and instrument-specific gradient errors are "fixed" to the instrument itself and its connected structures, the rotation of the GGI around its rotary axis in both orthogonal directions will not change instrument-specific trend values and instrument-specific gradient errors at the same time, concurrently, the fixed ground gradient signals are reversed. By calculating the mean differences between the sets of measurements in two orthogonal directions, the absolute values of the earth curvature gradients can be obtained since the instrument-specific trend and instrument-specific gradients will cancel out. . As explained in the mathematical presentation of FIG. 8, the GGI primary output can be characterized as an "inline" I / L component and the secondary output can be characterized as a "transverse" CR component. In the context of the functional block diagram of FIG. 7, the inline and transverse components may be designated as shown in the EQ. 1 and EQ. 2 in FIG. 8. The GGI χ axis can be aligned, for example, with the north and using the Euler Angle Sequence, the curvature gradients measured by the x, y plane of the instrument can be expressed as a function of the curvature gradients. land in the north (n) and east (e) context as represented by EQ. 3 and EQ. 4 of FIG. 8. GGI in-line exits in a north azimuth direction (0 degrees) is depicted in FIG. 8 by I / L (H = 0 °) and for orthogonal measurement by I / L (H-90 °). Similarly, the GGI cross-sectional outputs in a north and east direction are represented by CR (H = Og) and for orthogonal measurement by CR (H = 90 °) so that the gradient-free values of the gradient of curvature can be obtained from EQ 5 to EQ. 9 in FIG. 8

Como explicado abaixo em relação as FIGS. IOA e 10B, o GGI é operado durante o protocolo de teste com seu eixo giratório 'inclinado' em um pequeno ângulo positivo e em um pequeno ângulo negativo em relação ao plano horizon- tal para gerar um componente horizontal da gravidade para excitar as repetições de controle de compensação de reali- mentação no GGI e permitir a calibragem dos fatores de es- cala do acelerômetro. Entretanto, o eixo giratório incli- nado acopla os gradientes de gravidade horizontais da ter- ra dentro das medidas de curvatura do GGI. A obtenção das medidas com o GGI inclinado em um pequeno ângulo acima da horizontal e em um pequeno ângulo abaixo da horizontal, em conexão com as medidas feitas em, duas direções azimute que são separadas em 90 graus, irá produzir medidas que dobram os gradientes de curvatura desejados e cancelam os gradientes horizontais não desejados.As explained below in relation to FIGS. IOA and 10B, the GGI is operated during the test protocol with its 'inclined' rotary axis at a small positive angle and a small negative angle to the horizontal plane to generate a horizontal component of gravity to excite the repetitions of feedback compensation control on the GGI and allow calibration of accelerometer scale factors. However, the inclined rotary axis couples the horizontal gravity gradients of the earth within the GGI curvature measurements. Obtaining measurements with the GGI inclined at a small angle above the horizontal and a small angle below the horizontal, in connection with measurements made in two azimuth directions that are 90 degrees apart, will produce measurements that bend the gradients of desired curvature and cancel out unwanted horizontal gradients.

O GGI inclui os eixos de cilindro e de grau de inclinação ortogonais, dos quais o eixo de cilindro é man- tido horizontal no plano x, y local enquanto o instrumento é girado ao redor de seu eixo de cilindro para posicionar o instrumento para cima e para baixo em relação ao plano horizontal local. O termo I/L indica uma linha que está no plano x, y do GGI que pode ser alinhada em uma direção azimute enquanto o plano x, y do instrumento é colocado (inclinado) em algum pequeno ângulo com relação ao plano x,y local. A saida secundária do instrumento gradiômetro é o termo "transversal" CR como explicado acima em relação à EQ. 1 e 2 da FIG. 8. No contexto da apresentação mate- mática da FIG. 9, os gradientes I/L e CR medidos pelo GGI em seu plano x,y podem ser expressos como uma função dos componentes gradiente tensores da terra no norte, leste geodésico e do plano para o sul (n, e, d) de referência. A matriz do co-seno de direção (DCM) que transforma um plano geodésico norte, leste e sul para o plano do instru- mento x, y, z em um ângulo de direção H e uma ângulo de grau de inclinação P representado na EQ. 1 da FIG. 9. As saídas do GGI I/L e CR estão relacionadas com os gradien- tes geodésicos como representado na EQ. 2 e 3 da FIG. 9, onde os termos "erro (I/L)" e "erro (CR)" incluem a auto- tendência do instrumento e todos os erros de gradiente es- pecíficos do instrumento. Como apresentado na EQ. 4 e na EQ. 5, a soma das medidas para cima e para baixo são indi- cadas onde a letra maiúscula aU" indica uma inclinação pa- ra "cima" e uma letra maiúscula "D" indica uma inclinação "para baixo" com a EQ. 6 e a EQ. 7 apresentando a relação para os gradientes geodésicos. Pela aplicação das medidas em H = 0 graus e H = 90 graus e por se calcular a soma do resultado dos valores em linha e transversal produz-se a Eq. 8 e Eq. 9 para estimar os gradientes de curvatura Tee-Tnn e 2Tne sem acoplamento dos gradientes horizontais Tnd e Ted e do gra- diente vertical Tdd com estes valores livres de tendência e dos erros de auto-gradiente específicos do ins- trumento. A EQ. 10 e EQ. 11 representam a diferença entre as medidas I/L e a CR "para cima e a "para baixo" enquanto a EQ. 12 e a EQ. 13 proporcionam a estimativa dos gradien- tes horizontais das medições tomadas com 180° de separa- ção .The GGI includes orthogonal tilt and degree axes, of which the cylinder axis is held horizontal in the local x, y plane while the instrument is rotated around its cylinder axis to position the instrument up and down. down relative to the local horizontal plane. The term I / L indicates a line that is in the x, y plane of the GGI that can be aligned in an azimuth direction while the x, y plane of the instrument is placed (angled) at some small angle to the local x, y plane. . The secondary output of the gradiometer instrument is the term "transverse" CR as explained above in relation to EQ. 1 and 2 of FIG. 8. In the context of the mathematical presentation of FIG. 9, the I / L and CR gradients measured by the GGI in its x, y plane can be expressed as a function of the north, east geodetic, and south plane (n, e, d) reference tensor gradient components . The direction cosine (DCM) matrix that transforms a north, east, and south geodetic plane to the instrument plane x, y, z at a direction angle H and a slope angle P represented in EQ . 1 of FIG. 9. The outputs of GGI I / L and CR are related to geodetic gradients as depicted in the EQ. 2 and 3 of FIG. 9, where the terms "error (I / L)" and "error (CR)" include instrument self-bias and all instrument-specific gradient errors. As presented in EQ. 4 and EQ. 5, the sum of the up and down measurements are indicated where the capital letter aU "indicates a slope for" up "and a capital letter" D "indicates a" downward slope "with EQ. 6 and to EQ.7 showing the relation to the geodetic gradients By applying the measurements at H = 0 degrees and H = 90 degrees and calculating the sum of the result of the inline and transverse values, Eq. 8 and Eq. 9 to estimate Tee-Tnn and 2Tne curvature gradients without coupling of the horizontal gradients Tnd and Ted and the vertical gradient Tdd with these trend-free values and instrument-specific auto-gradient errors. and EQ.11 represent the difference between the I / L and "up" and "down" CR measurements while EQ. 12 and the EQ. 13 provide the estimate of the horizontal gradients of the measurements taken at 180 ° of separation.

De acordo com o protocolo de teste da presente invenção e como apresentado nas FIGS. IOA e 10B, várias estações de medida η são estabelecidas no campo de óleo. Cada estação de medida pode tomar a forma de uma área de terra desimpedida ou mais possivelmente, uma plataforma de asfalto ou cimento. É importante que a localização da es- tação seja fixa para o período do primeiro e dos testes subsequente. As estações de medida de preferência podem tomar a forma de uma série retangular de posições de ob- servação, uma série polar de posições de observação ou uma mistura das mesmas incluindo as estações de observação que não seguem um padrão preestabelecido e podem ser conside- radas como aleatoriamente colocadas dentro do campo sob observação. Por exemplo e no contexto das FIGS. 2 e 3, as posições de medida podem corresponder à posição dos núme- ros de bloco de fileira e de coluna apresentada.According to the test protocol of the present invention and as shown in FIGS. IOA and 10B, several measurement stations η are established in the oil field. Each metering station may take the form of an area of unimpeded earth or more possibly an asphalt or cement platform. It is important that the location of the station be fixed for the period of the first and subsequent tests. The measurement stations may preferably take the form of a rectangular series of observation positions, a polar series of observation positions or a mixture thereof including observation stations that do not follow a pre-established pattern and may be considered. as randomly placed within the field under observation. For example and in the context of FIGS. 2 and 3, the measurement positions may correspond to the position of the row and column block numbers shown.

O GGI de preferência é montado em uma pequena carreta com rodas que pode ser movida de estação para es- tação à medida que o teste continua. Dependendo da dis- tância entre as estações de observação, o GGI pode ser transportado, por exemplo, por um veículo com rodas ou di- ferente. Se desejado, o GGI pode ser montado em um veícu- lo com rodas e acionado de estação para estação e as medi- das feitas a partir do veículo. Entretanto, a carreta mó- vel é preferida, à medida que o uso da carreta elimina as anomalias de gravitação introduzidas pelo veículo com ro- das a partir do conjunto de dados. Em cada uma das esta- ções de medida, a carreta é elevada por macacos de contro- le de elevação.The GGI is preferably mounted on a small wheeled trailer that can be moved from station to station as the test continues. Depending on the distance between observation stations, the GGI can be transported, for example, by a wheeled or different vehicle. If desired, the GGI can be mounted on a wheeled vehicle and driven from station to station and measurements taken from the vehicle. However, the mobile trailer is preferred as the use of the trailer eliminates gravity anomalies introduced by the wheeled vehicle from the dataset. In each measuring station, the trailer is lifted by lifting control jacks.

Como apresentado no fluxograma da FIG. 10A, o sistema é inicializado e as variáveis m e η estabelecidas para igual a 1; η sendo representativo do número de esta- ções de medida preestabelecidas onde o número máximo de estações de medida é N (máximo) e m representando o número de conjuntos de dados a serem formados através do tempo onde o número máximo é M(máximo).As shown in the flow chart of FIG. 10A, the system is initialized and the variables m and η set to 1; η being representative of the number of pre-established measuring stations where the maximum number of measuring stations is N (maximum) and m representing the number of data sets to be formed over time where the maximum number is M (maximum).

0 GGI é posicionado na primeira estação de medi- da e antes do inicio da coleta de dados, todos os objetos possuindo uma massa suficiente para afetar as medidas (ve- ículos de transporte, fontes de força, controle de compu- tador local, pessoal, etc.) são movidos a uma distância longe o suficiente do instrumento para minimizar quaisquer efeitos adversos sobre o instrumento a partir destes obje- tos. Em geral, cada estação de medida de preferência não está localizada próxima a estruturas estáticas fixas no local feitas pelo homem para minimizar os sinais grandes que não estão relacionados com as localizações da interfa- ce do limite.The GGI is positioned at the first measurement station and prior to the start of data collection, all objects having sufficient mass to affect measurements (transport vehicles, power sources, local computer control, personnel , etc.) are moved far enough away from the instrument to minimize any adverse effects on the instrument from these objects. In general, each preferably metering station is not located near man-made fixed stationary structures to minimize large signals that are unrelated to the boundary interface locations.

Depois disso, o GGI é inicializado e o eixo gi- ratório é inclinado até algum ângulo de inclinação pré- selecionado (isto é, mais cerca de 0,9 graus no caso da presente invenção) suficiente para proporcionar uma res- posta do eixo ζ nos acelerômetros e o instrumento alinhado em uma direção azimute de zero graus. Como explicado aci- ma em relação a FIG. 9, a "inclinação" da montagem do ro- tor em algum ângulo suficiente para os oito acelerômetros perceberem o vetor de gravidade permite ao instrumento ob- servar a saída de cada acelerômetro para este valor de gravidade, identificar o fator de escala de cada acelerô- metro, as diferenças nos fatores de escala entre os acele- rômetros e identificar um valor de ajuste de modo que to- dos os acelerômetros proporcionem uma saída aparente idên- tica. Como apresentado no fluxograma da FIG. 10A, o ins- trumento também é subseqüentemente sujeito a uma inclina- ção e um ângulo oposto ao primeiro de modo que os acopla- mentos transversais dos gradientes horizontais podem ser eliminados. Portanto, as medidas feitas no primeiro ângu- lo de inclinação incluem a tendência do instrumento e de uma maneira similar, as medidas feitas no ângulo de incli- nação oposto igualmente contêm os erros de tendência do instrumento; as medidas para ambos ângulos de inclinação podem então ser ponderadas para cancelar o erro de tendên- cia.Thereafter, the GGI is initialized and the pivot axis is tilted to some preselected tilt angle (i.e. about 0.9 degrees in the case of the present invention) sufficient to provide an ζ axis response. on the accelerometers and the instrument aligned in a zero degree azimuth direction. As explained above in relation to FIG. 9, the "inclination" of the rotor assembly at any angle sufficient for the eight accelerometers to perceive the gravity vector allows the instrument to observe the output of each accelerometer for this gravity value, to identify the scale factor of each accelerometer. - meter, the differences in scaling factors between accelerometers and identifying an adjustment value so that all accelerometers provide identical apparent output. As shown in the flow chart of FIG. 10A, the instrument is also subsequently subjected to an inclination and an angle opposite the former so that the transverse couplings of the horizontal gradients can be eliminated. Therefore, measurements taken at the first inclination angle include the bias of the instrument and similarly, measurements taken at the opposite inclination angle also contain the bias errors of the instrument; Measurements for both inclination angles can then be weighted to cancel the trend error.

Então, o GGI pega os dados na estação de obser- vação por algum período de tempo suficiente para garantir a minimização das fontes de erro; no caso do GGI preferi- do, a coleta de dados com um intervalo na ordem de vários minutos (isto é, cerca de cinco minutos) em cada direção é considerada adequada.Then GGI takes the data from the observation station for a sufficient period of time to ensure that the sources of error are minimized; In the case of the preferred GGI, data collection with an interval of several minutes (ie about five minutes) in each direction is considered appropriate.

Depois disso, o instrumento é inclinado para seu ângulo oposto (isto é, menos cerca de 0,9 graus no caso da presente invenção) e a etapa de coleta de dados repetida no azimute inicial. Uma vez que a coleta de dados esteja completa na direção azimute inicial para ambas as atitudes inclinada para cima e inclinada para baixo, o instrumento é girado em azimute por noventas graus incrementados e as etapas de coleta de dados inclinado para cima e inclinado para baixo repetidas. A coleta de dados inclinada para cima e inclinada para baixo somente necessita ser conduzi- da em duas direções azimute; entretanto, a coleta de dados inclinado para cima e inclinado para baixo pode ser repe- tida em mais direções azimute, se desejado, para aumentar a precisão da coleta de dados. A rotação do instrumento para a nova direção inclui o próprio instrumento, sua car- reta e quaisquer estruturas associadas, incluindo qualquer cercado ambiental. A rotação das estruturas associadas com a operação do próprio instrumento ajuda a minimizar as fontes de erro. Como explicado acima em relação com a FIG. 8, as funções de giro do azimute para proporcionar a informação necessária para remover as fontes de erro asso- ciadas com a dissimetria de massa do próprio instrumento e de suas cercanias imediatas. Esta seqüência continua até que os dados sejam coletados em pelo menos três direções azimute ortogonais; entretanto, no caso da moda- lidade preferida, os dados são pegos em 0, 90, 180, 270 e então novamente em 0 grau. Se informação adicional for desejada, as etapas de coleta de dados podem ser repetidas em várias direções.Thereafter, the instrument is tilted to its opposite angle (i.e. minus about 0.9 degrees in the case of the present invention) and the data collection step repeated at the initial azimuth. Once data collection is complete in the initial azimuth direction for both upward and downward inclined attitudes, the instrument is rotated azimuth by ninety degrees incremental and the upward and downward inclined data collection steps repeated . The upward and downward inclined data collection only needs to be conducted in two azimuth directions; however, upward and downward inclined data collection may be repeated in more azimuth directions, if desired, to increase the accuracy of data collection. Rotation of the instrument in the new direction includes the instrument itself, its cart and any associated structures, including any environmental enclosures. Rotation of structures associated with the operation of the instrument itself helps minimize sources of error. As explained above in connection with FIG. 8, the azimuth rotating functions to provide the information necessary to remove the sources of error associated with the mass dissymmetry of the instrument itself and its immediate surroundings. This sequence continues until data is collected in at least three orthogonal azimuth directions; however, in the case of the preferred mode, the data is taken at 0, 90, 180, 270 and then again at 0 degree. If additional information is desired, the data collection steps can be repeated in several directions.

Como explicado acima em mais detalhes, a coleta de dados em direções azimute diferentes e em ângulos de inclinação diferentes é projetada para minimizar as fontes de erro e efetivamente aumentar a sensibilidade do instru- mento.As explained above in more detail, data collection in different azimuth directions and at different inclination angles is designed to minimize error sources and effectively increase instrument sensitivity.

Depois disso, η é incrementado de um e o GGI mo- vido para a próxima estação de medida sucessiva e a se- qüência nesta estação repetida.After that, η is incremented by one and the GGI moved to the next successive measurement station and the sequence at this repeated station.

Quando os dados são pegos em cada uma das η es- tações de medida (isto é, n=N(máximo), o primeiro conjunto de dados está completo. Um período de tempo (medido em se- manas, meses ou anos) é deixado decorrer durante o qual o campo de óleo suporta a pressurização contínua ou não con- tínua pelo fluido de expulsão injetado para fazer com que a migração da interface entre o fluido de expulsão e os hidrocarbonetos seja recuperada. Após o período inter- teste ter decorrido, a seqüência de testes da FIG. IOA é repetida para produzir outro conjunto de dados caracteri- zado como o segundo conjunto de dados. Como pode ser a- preciado, o terceiro, quarto e testes subsequentes podem ser empreendidos após os períodos de tempo inter-testes adequados terem decorrido para produzir o terceiro, quarto e conjuntos de teste subsequentes. Na prática, dois con- juntos de dados sucessivos (isto é, M(máximo) = 2) são su- ficientes para proporcionar os dados que podem ser utili- zados .When data are taken from each of the η measurement stations (ie n = N (maximum), the first data set is complete. A time period (measured in weeks, months or years) is during which the oil field withstands continuous or non-continuous pressurization by the injected expulsion fluid to cause the migration of the interface between the expulsion fluid and the hydrocarbons to be recovered. , the test sequence of Fig. 10A is repeated to produce another dataset characterized as the second dataset.As may be appreciated, the third, fourth and subsequent tests may be undertaken after the interim periods of time. -test tests have elapsed to produce the third, fourth and subsequent test sets. In practice, two successive data sets (ie M (maximum) = 2) are sufficient to provide usable data. made.

Cada conjunto de teste inclui informação sobre o gradiente de gravidade sobre o campo, incluindo o efeito da geologia da sub-superfície, as variações conseqüentes para o terreno e as estruturas estáticas fixas no local feitas pelo homem incluindo guindastes, oleodutos, bombas, motores, etc., que tipicamente ocupam um campo de óleo. Em adição, este conjunto de dados incluirá informação so- bre o efeito sobre o gradiente de gravidade da interface entre o fluido de expulsão e os hidrocarbonetos suportando deslocamento. Entretanto, não existe meio que não seja de conjetura de que a localização da interface possa ser pre- cisamente determinada a partir de um único conjunto de da- dos. Como no caso do primeiro conjunto de dados, o segun- do e os conjuntos de dados subsequentes igualmente incluem informação sobre o efeito sobre o gradiente de gravidade da geologia, terreno e das estruturas feitas pelo homem e a interface em sua nova localização. Portanto, a informa- ção sobre a geologia, terreno e estruturas feitas pelo ho- mem irá representar dados comuns relativamente não variá- veis ou informação de sinal de modo comum entre cada um dos conjuntos de dados ao mesmo tempo em que a informação sobre a interface transitória no tempo não será comum para os vários conjuntos de dados.Each test set includes information on the field's gravity gradient, including the effect of subsurface geology, consequent terrain variations, and man-made static stationary structures including cranes, pipelines, pumps, engines, etc., which typically occupy an oil field. In addition, this data set will include information on the effect on the gravity gradient of the interface between the expulsion fluid and the displacement supporting hydrocarbons. However, there is no way other than conjecture that the location of the interface can be precisely determined from a single set of data. As with the first dataset, the second and subsequent datasets also include information about the effect on the gravity gradient of geology, terrain and man-made structures, and the interface in their new location. Therefore, information about geology, terrain and structures made by man will represent relatively non-variable common data or common signal information between each of the data sets at the same time as information about the transient interface in time will not be common for the various data sets.

As fontes de erro que podem de forma adversa a- fetar a precisão podem incluir movimentos geológicos, tal como compactação do reservatório de óleo e movimento da mesa de água.Sources of error that may adversely affect accuracy may include geological motion such as oil sump compaction and water table movement.

A fim de processar o primeiro e o segundo (e/ou os conjuntos de dados subsequentes) e como uma etapa ini- cial, um modelo teórico da relação do gradiente de gravi- dade das camadas abaixo do reservatório de hidrocarboneto de interesse é desenvolvido. Para qualquer reservatório de hidrocarboneto suportando a recuperação secundária, a probabilidade é que um corpo dos dados geofisicos, inclu- indo um modelo do reservatório, esteja disponível a partir dos levantamentos acústicos anteriores, registros de dados do furo de mina, amostras de núcleo análise da saída dos poços de teste e um conhecimento da presença ou ausência (e alterações dos mesmos) do fluido de expulsão na saída dos poços de produção. Se desejado, os dados geofisicos conhecidos podem ser combinados com os dados de gradiente de gravidade disponíveis. Mais especificamente, os dados de gradiente podem ser "melhor ajustados" com os dados ge- ofisicos para proporcionar um modelo antecipado do reser- vatório e/ou os dados de gradiente podem ser de forma si- milar "melhor ajustados" com os dados geofísicos utilizan- do as técnicas de inversão para se obter o melhor modelo do reservatório e o limite modelo entre o fluido de expul- são e o hidrocarboneto a ser recuperado.In order to process the first and second (and / or subsequent data sets) and as an initial step, a theoretical model of the gravity gradient relationship of the layers below the hydrocarbon reservoir of interest is developed. For any hydrocarbon reservoir supporting secondary recovery, the likelihood is that a body of geophysical data, including a reservoir model, will be available from previous acoustic surveys, mine bore data records, core samples, analysis of the test wells and a knowledge of the presence or absence (and changes thereof) of the expulsion fluid at the output of the production wells. If desired, known geophysical data may be combined with available gravity gradient data. More specifically, gradient data may be "better adjusted" with geodetic data to provide an early reservoir model and / or gradient data may be similarly "better" adjusted with geophysical data. using inversion techniques to obtain the best reservoir model and the model boundary between the expulsion fluid and the hydrocarbon to be recovered.

A fim de se obter a informação da densidade da sub-superficie, os métodos de modelagem antecipada (também conhecidos como método indireto) ou métodos diretos podem ser utilizados. Os métodos de modelagem antecipada come- çam com o conhecimento existente a cerca das camadas do re- servatório nas quais a injeção está sendo realizada e assume alterações nos níveis de saturação dos diferentes fluidos, incorporando o conhecimento obtido a partir de outras me- didas geofísicas (por exemplo, sísmicas) e outras observa- ções do campo de óleo tal como alterações de pressões e de temperaturas nos poços de observação. A partir deste mo- delo inicial, os cálculos dos gradiente de decorrência de tempo podem ser feitos. Para este propósito, o método de modelagem antecipada de Talwani, "Computation with help of a digital computer of magnetic anomalies caused by bodies of arbitrary shape" na Geophysics, Vol. 30, N2 5, págs. 797 até 817 (1965) pode ser utilizado. Os valores calcu- lados são comparados com os valores observados do gradien- te de decorrência de tempo e o modelo inicial repetidamen- te modificado de modo que os valores calculados se encai- xem com os valores observados. O exame dos valores de sa- turação no modelo final produz a posição da fronteira en- tre o fluido de expulsão e os hidrocarbonetos suportando o deslocamento.In order to obtain subsurface density information, early modeling methods (also known as indirect methods) or direct methods can be used. Early modeling methods begin with existing knowledge about the reservoir layers in which the injection is being performed and assume changes in the saturation levels of different fluids, incorporating the knowledge obtained from other geophysical measurements. (eg seismic) and other oil field observations such as pressure and temperature changes in the observation wells. From this initial model, the calculations of the time gradient can be made. For this purpose, Talwani's early modeling method, "Computation with help of a digital computer of magnetic anomalies caused by bodies of arbitrary shape" in Geophysics, Vol. 30, No. 25, p. 797 to 817 (1965) may be used. The calculated values are compared with the observed values of the time gradient and the initial model repeatedly modified so that the calculated values fit the observed values. Examination of the saturation values in the final model yields the boundary position between the expulsion fluid and the hydrocarbons supporting the displacement.

Com métodos diretos, o conhecimento existente a cerca do reservatório é utilizado como constrangimentos e os dados observados invertidos para produzir as alterações da densidade da sub-superficie, que como para os métodos de modelagem antecipada estão relacionados com as altera- ções na saturação do fluido.With direct methods, the existing knowledge about the reservoir is used as constraints and the inverted observed data to produce changes in the subsurface density, which as for the anticipated modeling methods are related to changes in fluid saturation. .

Uma vez que os dados de gradiente de tempo de- corrido (isto é, 4D) são obtidos, numerosas técnicas com- putadorizadas estão disponíveis para determinar a altera- ção na distribuição da densidade da sub-superficie (morfo- logia das camadas) através do período de tempo. Os méto- dos diretos utilizando os dados do gradiente para estimar as distribuições de densidade caem dentro da categoria de problemas lineares e os métodos diretos que determinam as perturbações do limite para corpos de densidade constante caem dentro da categoria de problemas não lineares como descrito por D. W. Vasco em "Resolution and Variance Ope- rators of Gravity and Gravity Gradiometry" publicado na Geophysics, vol. 54, n- 7, (Julho de 1989), págs. 889 até 899. A solução de Vasco lineariza as relações entre os prismas (de densidade da massa ou alterações na densidade) e seus gradientes de gravidade associados e resolve a in- versão repetidamente, utilizando inversos generalizados. Os métodos diretos também incluem estes descritos por S. K. Reamer e J. F. Ferguson em "Regularized two-dimensional Fourier gravity inversion method with application to the Silent Canyon caldera, Nevada" publicado na Geophysics, vol. 54, n- 4 (abril de 1989), págs. 486 até 496 e a téc- nicas wavelet-Galerkin descritas no Pedido Provisório dos Estados Unidos 60/099.937, depositado em 11 de setembro de 1998, incorporado acima. Em geral e para a técnica de Vasco, sujeições tais como uma espessura de camada maior ou igual a zero ou todos os limites situando-se na sub- superficie podem ser incluídas; outras sujeições incluem as faixas aceitáveis na densidade após M. Cuer e R. Bayer, como descrito em "Fortram Routines for Linear Inverse Pro- blems", publicado na Geophysics, vol. 45, N- 11 (novembro de 1980), págs. 1706 até 1719.Since elapsed time gradient data (ie 4D) is obtained, numerous computer techniques are available to determine the change in the distribution of sub-surface density (layer morphology) across of the time period. Direct methods using gradient data to estimate density distributions fall within the linear problem category and direct methods that determine boundary perturbations for constant density bodies fall within the nonlinear problem category as described by DW Vasco in "Resolution and Variance Operators of Gravity and Gravity Gradiometry" published in Geophysics, vol. 54, no. 7 (July 1989), p. 889 to 899. Vasco's solution linearises the relationships between the prisms (mass density or density changes) and their associated gravity gradients and solves the inversion repeatedly using generalized inverses. Direct methods also include those described by S. K. Reamer and J. F. Ferguson in "Regularized two-dimensional Fourier gravity inversion method with application to the Silent Canyon caldera, Nevada" published in Geophysics, vol. 54, no. 4 (April 1989), p. 486 to 496 and the wavelet-Galerkin techniques described in United States Provisional Application 60 / 099,937, filed September 11, 1998, incorporated above. In general and for the Vasco technique, subjections such as a layer thickness greater than or equal to zero or all boundaries on the subsurface may be included; other subjections include acceptable ranges in density after M. Cuer and R. Bayer, as described in "Fortram Routines for Linear Inverse Problems", published in Geophysics, vol. 45, N-11 (November 1980), p. 1706 to 1719.

O modelo inicial será aperfeiçoado com dados crescentes e somente pode ser a melhor estimativa conheci- da nesta hora. 0 modelo, antecipado ou inverso, é então perturbado analiticamente para se determinar a relação en- tre as alterações no gradiente de gravidade com as altera- ções na morfologia das camadas. Os métodos indiretos para perturbar uma modelo antecipado inicial ou de partida in- clui o "Directed Monte Cario methods of Simulated Annea- ling and Genetic Algorithms ("Global Optimization Method in Geophysics Inversion", por M. Sen e P. L. Stoffa, Else- vier, Amsterdam, 1995).The initial model will be refined with increasing data and may only be the best known estimate at this time. The anticipated or inverse model is then analytically disturbed to determine the relationship between changes in gravity gradient and changes in layer morphology. Indirect methods for disrupting an early or early model include the "Directed Monte Carlo methods of Simulated Annealing and Genetic Algorithms" by M. Sen and PL Stoffa, Elseven. , Amsterdam, 1995).

Depois disso, o gradiente de gravidade real (a partir do qual uma representação gráfica representativa para Γxz e Γxx é apresentada na FIG. 11) é comparado com aquele prognosticado pelo modelo teórico para desenvolver as repetições sucessivas do modelo que convergem com as diferenças sucessivamente menores nas comparações. À me- dida que medidas de dados adicionais são pegas, como apre- sentado nas seqüências do teste da FIG. 10A e 10B, o mode- lo é sucessivamente refinado. Antes de cada refinamento do modelo, os dados medidos são processados para eliminar as fontes de erro conhecidas e estatisticamente estimadas incluindo os efeitos do "ruído" geológico.Thereafter, the actual gravity gradient (from which a representative graphical representation for Γxz and Γxx is presented in FIG. 11) is compared with that predicted by the theoretical model to develop successive repetitions of the model that converge with successively smaller differences. in the comparisons. As additional data measures are taken, as shown in the test sequences of FIG. 10A and 10B, the model is successively refined. Prior to each refinement of the model, the measured data is processed to eliminate known and statistically estimated sources of error including the effects of geological "noise".

Com medidas de dados suficientes, é possível pa- ra o processador dos dados do computador criar uma anima- ção exibida pelo computador do movimento e da morfologia da interface limite com tempo para exibir em um monitor de computador ou dispositivo de exibição similar. Os dados processados proporcionados pelo vídeo produzem informação sobre o limite entre o fluido de expulsão e o hidrocarbo- neto a ser recuperado. Depois disso, o movimento do limi- te e as taxas de movimento podem ser graficamente impres- sas ou plotadas para uso pelo gerente do campo de óleo, que pode controlar os poços de injeção em termos de pres- são e quantidade para utilizar a morfologia do limite de modo a maximizar a recuperação do hidrocarboneto nos custo de recuperação secundária mais baixo possível. A ilustra- ção dos limites do hidrocarboneto e de suas alterações também pode ser utilizada pelo gerente do campo de óleo para a identificação de possíveis zonas de furto como su- gerido nos blocos 22 e 23 da FIG. 3. Proporcionar ao ge- rente do campo de óleo com esta representação pictórica da situação se desenvolvendo permite ao mesmo aplicar sua pe- rícia para avaliar, corrigir e compensar as condições de alteração e manter ou aumentar a produção do campo.With sufficient data measurements, it is possible for the computer data processor to create a computer-displayed animation of time-bound interface motion and morphology to display on a computer monitor or similar display device. The processed data provided by the video produces information about the limit between the expulsion fluid and the hydrocarbon to be recovered. After that, the limit movement and movement rates can be graphically printed or plotted for use by the oil field manager, who can control the injection wells in terms of pressure and quantity to use the morphology. limit to maximize hydrocarbon recovery at the lowest possible secondary recovery costs. The illustration of the hydrocarbon boundaries and their changes can also be used by the oil field manager to identify possible theft zones as suggested in blocks 22 and 23 of FIG. 3. Providing the oilfield manager with this pictorial representation of the evolving situation allows him to apply his expertise to assess, correct, and compensate for changing conditions and to maintain or increase the production of the field.

Embora um gradiômetro seja mostrado com o ins- trumento preferido para detectar o gradiente de gravidade, outros dispositivos capazes de medir ou de outro modo de- terminar o gradiente de gravidade local são igualmente a- dequados. Outros dispositivos incluem gravímetros de par que usam massas em queda em um espaço evacuado com a ace- leração da massa em queda medida com um feixe de laser e relógios de alta precisão que usam sensores superconduto- res .Although a gradiometer is shown with the preferred instrument for detecting the gravity gradient, other devices capable of measuring or otherwise determining the local gravity gradient are equally suitable. Other devices include pair gravimeters that use falling masses in an evacuated space by accelerating the falling mass measured with a laser beam and high-precision clocks using superconducting sensors.

Aplicabilidade IndustrialIndustrial Applicability

A presente invenção de forma vantajosa propor- ciona um processo para otimizar as medidas do gradiômetro de gravidade para detectar os limites do fluido da sub- superfície no contexto da recuperação secundária de óleo pelos quais o custo da recuperação pode ser reduzido e/ou a quantidade de hidrocarboneto recuperado pode ser aumen- tada. A presente invenção é igualmente bem adequada para uso ao se detectar a migração dos fluidos da sub- superfície incluindo, por exemplo, fronteiras de fluido poluído e/ou tóxicos.The present invention advantageously provides a process for optimizing gravity gradiometer measurements to detect subsurface fluid limits in the context of secondary oil recovery by which the cost of recovery can be reduced and / or the amount of recovered hydrocarbon may be increased. The present invention is equally well suited for use in detecting migration of subsurface fluids including, for example, polluted and / or toxic fluid boundaries.

Referência Cruzada com Pedidos de Patente Provi- sóriosCross Reference with Provisional Patent Applications

Este pedido reivindica o benefício das datas de depósito dos Pedidos de Patente Provisórios dos Estados Unidos N- 60/085.059 depositado em 12 de maio de 1998, N- 60/109.138 depositado em 18 de novembro de 1998, N- 60/107.329 depositado em, 6 de novembro de 1998, H- 60/107.366 depositado em 6 de novembro de 1998 e N- 60/099.937 depositado em 11 de setembro de 1998; cujas respectivas revelações são incorporadas pelo presente por referência.This application claims benefit of filing dates for United States Provisional Patent Applications No. 60 / 085,059 filed on May 12, 1998, No. 60 / 109,138 filed on November 18, 1998, No. 60 / 107,329 filed on , November 6, 1998, H-60 / 107,366 filed November 6, 1998 and N-60 / 099,937 filed September 11, 1998; the disclosures of which are hereby incorporated by reference.

Como será aparente para aqueles com conhecimento na técnica, várias alterações e modificações podem ser feitas junto ao sistema e processo ilustrados para otimi- zar as medidas do gradiômetro de gravidade da presente in- venção sem sair do espirito e do escopo da invenção como determinado nas reivindicações anexas e em seus equivalen- tes legais.As will be apparent to those skilled in the art, various changes and modifications may be made to the illustrated system and process for optimizing the gravity gradiometer measurements of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the present invention. appended claims and their legal equivalents.

Claims (8)

1. Processo para aperfeiçoar a medida de um gra- diente de gravidade utilizando um gradiômetro do tipo ace- lerômetro possuindo pelo menos um par de acelerômetros que orbita um eixo de rotação em um plano comum, os acelerôme- tros percebendo alterações no gradiente de gravidade à me- dida que eles se movem ao longo de suas respectivas órbi- tas e proporcionando uma saida elétrica correspondente a partir dos mesmos, CARACTERIZADO por compreender: posicionar o gradiômetro de gravidade em um pon- to de observação; inclinar o plano comum até um primeiro ângulo abaixo da horizontal local e alinhar o eixo até uma pri- meira direção azimute; coletar dados durante um período de tempo sele- cionado na primeira direção azimute; inclinar o plano comum até o primeiro ângulo a- cima da horizontal local; coletar dados durante um período de tempo sele- cionado na primeira direção azimute; realinhar o eixo até uma segunda direção azimute deslocada 90 graus da primeira direção azimute; coletar dados durante um período de tempo sele- cionado no primeiro ângulo acima da horizontal local e na segunda direção azimute; inclinar o plano comum até o primeiro ângulo a- baixo da horizontal local; e coletar dados durante um período de tempo sele- cionado no primeiro ângulo abaixo da horizontal local na segunda direção azimute.1. A process for improving the measurement of a gravity gradient using an accelerometer gradiometer having at least one pair of accelerometers orbiting an axis of rotation in a common plane, accelerometers sensing changes in the gravity gradient. as they move along their respective orbits and provide a corresponding electrical output from them, CHARACTERIZED for understanding: position the gravity gradiometer at an observation point; tilt the common plane to a first angle below the local horizontal and align the axis to a first azimuth direction; collect data for a selected period of time in the first azimuth direction; tilt the common plane to the first angle above the local horizontal; collect data for a selected period of time in the first azimuth direction; realign the axis to a second azimuth direction offset 90 degrees from the first azimuth direction; collect data for a selected period of time at the first angle above the local horizontal and in the second azimuth direction; tilt the common plane to the first angle below the local horizontal; and collect data for a selected period of time at the first angle below the local horizontal in the second azimuth direction. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro ângulo é menor do que um grau.Process according to claim 1, characterized in that the first angle is less than one degree. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro ângulo é 0,9 graus.Process according to claim 2, characterized in that the first angle is 0.9 degrees. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por adicionalmente compreender determinar a média das diferenças entre os conjuntos de medidas nas primeira e segunda direções azimute para cancelar as ten- dências e os gradientes específicos do instrumento.Method according to claim 1, characterized in that it further comprises determining the average of the differences between the measurement sets in the first and second azimuth directions to cancel the instrument-specific trends and gradients. 5. Processo para aperfeiçoar a medida de um gra- diente de gravidade utilizando um gradiômetro tipo acele- rômetro possuindo pelo menos um par de acelerômetros que orbita um eixo de rotação em um plano comum, os acelerôme- tros percebendo alterações no gradiente de gravidade à me- dida que eles movem-se ao longo de suas respectivas órbi- tas e proporcionando uma saída elétrica correspondente a partir dos mesmos, CARACTERIZADO por compreender: posicionar o gradiômetro de gravidade em um pon- to de observação; inclinar o plano comum até um primeiro ângulo acima da horizontal local e alinhar o eixo até uma primei- ra direção azimute; coletar dados durante um período de tempo sele cionado na primeira direção azimute; inclinar o plano comum até o primeiro ângulo a- baixo da horizontal local; coletar dados durante um período de tempo sele- cionado na primeira direção azimute; realinhar o eixo até uma segunda direção azimute deslocada 90 graus da primeira direção azimute; coletar dados durante um período de tempo sele- cionado no primeiro ângulo abaixo da horizontal local e na segunda direção azimute; inclinar o plano comum até o primeiro ângulo a- cima da horizontal local; e coletar dados durante um período de tempo sele- cionado no primeiro ângulo acima da horizontal local na segunda direção azimute.5. A process for perfecting the measurement of a gravity gradient using an accelerometer-type gradiometer having at least one pair of accelerometers orbiting an axis of rotation in a common plane, accelerometers sensing changes in the gravity gradient at as they move along their respective orbits and provide a corresponding electrical output from them, CHARACTERIZED for understanding: position the gravity gradiometer at an observation point; tilt the common plane to a first angle above the local horizontal and align the axis to a first azimuth direction; collect data for a selected period of time in the first azimuth direction; tilt the common plane to the first angle below the local horizontal; collect data for a selected period of time in the first azimuth direction; realign the axis to a second azimuth direction offset 90 degrees from the first azimuth direction; collect data for a selected period of time at the first angle below the local horizontal and in the second azimuth direction; tilt the common plane to the first angle above the local horizontal; and collect data for a selected period of time at the first angle above the local horizontal in the second azimuth direction. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro ângulo é menor do que um grau.Process according to claim 5, characterized in that the first angle is less than one degree. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro ângulo é 0,9 graus.Process according to claim 6, characterized in that the first angle is 0.9 degrees. 8. Processo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por adicionalmente compreender determinar a média das diferenças entre os conjuntos de medidas nas primeira e segunda direções azimute para cancelar as ten- dências e os gradientes específicos do instrumento.Method according to claim 5, characterized in that it further comprises determining the mean of the differences between the measurement sets in the first and second azimuth directions to cancel the instrument-specific trends and gradients.
BRPI9910426-1A 1998-05-12 1999-05-11 process for optimizing gravity gradiometer measurements. BR9910426B1 (en)

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