Lupaus Quantum Sensingin pinnanalaiseen arviointiin

Öljy- ja kaasuteollisuus on pitkään luottanut sähkömagneettisiin, ydin- ja akustisiin mittauksiin, jotka kuvaavat pinnanalaisia muodostelmia. Nämä perinteiset kaivonkorjuutyökalut ovat kuitenkin tehokkaita, ja niillä on perustavanlaatuiset fyysiset rajat. Erityisesti matalahuokoisissa, korkeassa suolapitoisuudessa tai monimutkaisissa litologiaympäristöissä. Kvanttianturit, jotka käyttävät kvanttimekaanisia ilmiöitä kuten superpositiota ja sotkeutumista, lupaavat vaihemuutoksen herkkyyden ja resoluution, joka voisi avata uusia tietoja syvältä, tiukalta ja epätavanomaiselta varastolta.

Toisin kuin klassiset anturit, jotka mittaavat sähkövirtoja, jännitteitä tai optisia signaaleja, kvanttianturit tutkivat kvanttijärjestelmän (esim. atomin pyörimisen, suprajohtavan silmukkan tai timanttivirheen) ja ulkoisen kentän vuorovaikutusta. Näin ne voivat havaita muutoksia magneettikentissä, painovoimagradienteissa, lämpötilassa ja paineessa, jotka voivat ylittää klassiset rajat suuruusmäärillä. Hyvin hakkuu, jossa jokainen millimetrin muodostelmadata voi tarkoittaa eroa kuivan aukon ja tuottavan hyvin, tällainen tarkkuus on korvaamatonta.

Avainmäärä, jonka perusteella havaintoja voidaan käyttää

Useita kvanttisensorialustoja tutkitaan alareiän käyttöönottoa varten:

  • Nitrogeenin eristys (NV) keskukset timantti:[ Nämä atomi-mittakaavan viat voivat mitata magneettikenttiä nanotselä herkkyys huoneenlämmössä, jopa kovissa lämpö- ja paineolosuhteissa porakaivo.
  • Suprajohtavat kvantti-interferenssilaitteet (SQUID):[] Matalan lämpötilan SQUIDit tarjoavat äärimmäisen herkkyyden magneettivuolle ja niitä on käytetty magneettikelluuritutkimuksissa ja ydinmagneettiresonanssin (NMR) kirjaamisessa.
  • Atomimagnetometrit:[ alkalihöyrysoluihin perustuvat sirpalemuotoiset atomimagnetometrit voivat kilpailla SQUID-yhdisteiden kanssa ilman kryogeenisiä aineita, jolloin ne ovat käytännöllisempiä johtolinja- ja LWD-työkaluille (logging-time-drilling).
  • Atomi-interferometrit:[ Nämä laitteet mittaavat gravitaatiokiihtyvyyttä ja herkkyyttä muutamalle mikroGalille, jolloin voidaan tehdä korkean resoluution painovoimatutkimuksia tiheyden vaihtelujen kartoittamiseksi säiliön välillä.

Kullakin alustalla on vaihto-off-koko, käyttölämpötila, tärinänkestävyys ja tehonkulutus.

Edut Klassinen hyvin kirjautumisen anturit

Kvanttisensorien ensisijainen etu on signaali-melusuhde. Klassisia sensoreita rajoittaa Johnson-Nyquist-melu, laukausmelu ja lämpöajelu. Kvanttisensoreita voidaan käyttää jatkuvasti yli 200 °C:n lämpötiloissa, kun niitä käytetään standardikvanttirajoilla, ja ne voivat ajan mittaan olla keskisignaalia melun vähentämiseksi tehokkaammin. NV-dimanttimagnetometrien kaltaisia instrumentteja voidaan käyttää jatkuvasti yli 200 °C:n lämpötiloissa, mikä kattaa suurimman osan kaivojen tuotannosta.

Reaaliaikainen datapalaute porauksen aikana on toinen etu. Esimerkiksi kvantti-yhteensopiva magneettiresonanssisensori voisi tunnistaa hiilivetykyllästyksiä, kun bitti on vielä leikkaamassa, jolloin operaattorit voivat ohjata kaivon tuottavimmille alueille ilman, että ne kompastuvat eri hakkuuajoihin. Tämä vähentää lautta-aikaa, muodostumista ja ympäristöjalanjälkeä.

Ympäristö- ja talousvaikutukset

Kvanttihakkuun avulla tapahtuva palkkavyöhykkeiden tarkempi rajaaminen voi vähentää tarvittavien arviointikaivojen määrää, vähentää tutkimuskustannuksia ja pintahäiriöitä. Kypsillä aloilla atomien interferometrien avulla tehtävät aika-läppä-painovoimatutkimukset voisivat seurata nestesiirtoa, auttaa optimoimaan vedenlaskua tai hiilidioksidin injektointia mahdollisimman vähäisellä interventiolla. Nämä hyödyt ovat samansuuntaisia kuin toimialan .

Erityiset sovellukset hyvin kirjautumisessa

Magneettinen resonanssiloki

NMR-hakkuu on vakiotekniikka huokoisuuden, huokosten koon ja nesteiden tyypityksen mittaamiseen. Perinteiset NMR-työkalut käyttävät kuitenkin kestomagneetteja, jotka tuottavat staattisen kenttägradientin, rajoittavat kuulustelun määrää ja vaativat merkittävää tehoa. Kvanttianturit voivat mahdollistaa nolla- tai ultra-low-field NMR:n, jossa staattinen kenttä on Maan kenttien tai alempi. Tämä mahdollistaa syvemmän tunkeutumisen ja vähentää työkalun monimutkaisuutta. []Luontotieteelliset raportit[] ovat osoittaneet NV-dimantin NMR-tunnistimen havaitsemisen nestenäytteissä alimillimetriresoluutiolla, mikä viittaa polkuun alasreikäkemialliseen analyysiin.

Painovoima ja painovoimagradiometria

Painovoimatutkimuksia on käytetty vuosikymmeniä rakenteellisten ansojen ja suolakupujen johtamiseen. Atomi-interferometrit antavat nyt gravitaatiogradienttimittauksia, joiden herkkyys on 1 Eötvös tai parempi, mikä mahdollistaa kaasukorkkien, öljy-vesikoskettimien tai murtumaverkkojen aiheuttamien hienovaraisten tiheyspoikkeamien havaitsemisen. [SPE:n (OnePetro) tuore kenttätesti[] osoitti, että kvanttigravitaatiogradientti gradiometri voisi erottaa suolaliuoksen ja öljyn laboratoriomallissa ja teknologia etenee kohti prototyyppiä johtolinjan käyttöönottoa varten.

Korkearesoluutioinen magneettikelluuri

Magnetotelluuric (MT) äänitys käyttää luonnollisia sähkömagneettisia kenttiä kartoittaa resistenssirakenteita. SQUID-pohjaisia MT-vastaanottimia on käytetty useita vuosia, mutta uudet siru-mittakaavaiset atomimagnetometrit voisivat alentaa MT-rakenteiden kustannuksia ja kokoa altaan mittakaavakuvauksessa. Alaspäin näppäimistön kvanttimagnetometrit parantaisivat myös kontrolloidun EM-lokin resoluutiota, erityisesti johtavissa muodostelmissa, joissa perinteiset käämiantennit menettävät signaalin.

Alaskäynnissä Lämpötila ja paine

Kvanttilämpötila-anturit, jotka perustuvat NV-keskuksiin tai SiC (piikarbidi) -avointen keskusten avulla voidaan mitata lämpötilaa milleklevvin-tarkuudella, jopa korkeilla paineilla. Kun niitä käytetään DTS-järjestelmissä (jaettu lämpötila-anturit), ne voisivat ratkaista tuotantovyöhykkeen osuudet monenvälisissä kaivoissa. Optisesti pumpattuihin atomikennoihin perustuvia paineantureita kehitetään myös pysyville alareikämittareille, jotka tarjoavat ajovapaat mittaukset vuosien mittaan.

Laaja-alaisen adoption haasteet

Kustannukset ja monimutkaisuus

Kvanttianturit ovat edelleen kalliita tuottaa. NV-timanttisensorit vaativat korkealaatuista synteettistä timanttia, jossa on suunniteltu vikapitoisuuksia. Atomimagnetometrit tarvitsevat minihöyrykennoja ja laserjärjestelmiä, joiden on säilyttävä 175 °C ja 20 000 psi iskukuormat. Oppimiskäyrä näiden välineiden valmistuksessa mittakaavassa on jyrkkä.

Tärinä ja melu

Porauksen aikana sivutärinä ja keppi-liuku voivat tuottaa kiihtyvyydet yli 10 g. Atomi-interferometriaan tai Ramsey-interferometriaan perustuvat kvanttisensorit ovat erityisen herkkiä tärinälle. Tutkijat tutkivat hybridijärjestelmiä, jotka parittelevat klassisia kiihtyvyysmittareita kvanttikiihtymien kanssa vähentääkseen tärinän melua, mutta tämä lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta. Julkaisu []Fysical Review Applied[ -julkaisussa esitetään yksityiskohtaiset palautejärjestelmät, jotka voivat vakauttaa atomiin liittyviä interferometreja kohtalaisen tärinän uhalla.

Kryogeeniset vaatimukset

SQUID-lääkkeet vaativat nestemäistä heliumjäähdytystä. Vaikka kryostaatit voidaan miniatyyristää, ne lisäävät merkittävää painoa ja vaativat säännöllistä täydennystä, joka on epäkäytännöllinen pitkille johtojohdoille tai LWD-laitteille. Työntö kohti korkean lämpötilan suprajohtereita ja kryogeenittomia pulssi-putkijäähdyttimiä on lupaava, mutta nämä järjestelmät eivät ole vielä osoittautuneet luotettaviksi alareikäympäristöissä. NV-keskukset sen sijaan toimivat huoneenlämmössä ja sen yläpuolella, mikä antaa niille vahvan edun.

Tietojen integrointi

Kvanttilokitiedot on yhdistettävä tavanomaisiin gammasäteisiin, resistentteihin ja neutronilokkeihin, jotta voidaan rakentaa johdonmukaisia petrofyysisiä malleja. Alalta puuttuu standardityövirta kvanttimittauksiin. Uusia inversioalgoritmeja ja petrofyysisiä tulkintoja on kehitettävä, todennäköisesti yhteistyössä palveluyritysten kanssa.

Tutkimus- ja kehitystoiminta

Useita hankkeita on käynnissä maailmanlaajuisesti. Yhdysvaltain energiaministeriö on rahoittanut QUANTUM-hankkeen[ (Quantum Untraditional Asset Technology Anding and Measurement), joka keskittyy NV-timanttien NMR-korjuuihin. Euroopassa Quantum Flagship sisältää pyrkimykset ottaa käyttöön atomipainoanturit geotermisen ja hiilivetytutkimuksen alalla. Tärkeimmät palveluntarjoajat, kuten Schlumberger (nykyinen SLB) ja Baker Hughes, ovat jättäneet patentteja alareikäkvanttisensorien suunnitelmiin.

Kaupallisen käyttöönoton aikajanaksi arvioidaan 5-10 vuotta niche-sovelluksissa (esim. korkearesoluutioinen painovoimahakkuu suolan maakunnissa) ja 10-15 vuotta laajalle käyttöönottoon hakkuu sviiteissä. Valmistusvaakojen ja tärinäeristyksen kypsyessä anturin kustannusten odotetaan laskevan suuruusluokkaa kohti, joka vastaa kuituoptisten gyroskooppien kehityspolkua.

Päätelmät

Kvanttianturit eivät ole kaukainen fantasia.Ne ovat lähellä kenttävalmiutta tiettyihin hyvin hakkuusovelluksiin. Niiden erinomainen herkkyys magneettikentille, painovoimalle ja lämpötilalle mahdollistaa sen, että operaattorit näkevät hienompia yksityiskohtia pinnan alla, vähentävät porausepävarmuutta ja ympäristövaikutuksia. Vaikka kustannukset, kestävyys ja integraatio ovat edelleen haasteita, sekä tiedemaailman että teollisuuden kehitysvauhti osoittaa, että kvanttiin perustuvat hakkuuvälineet tulevat vakiotarjontaan seuraavan vuosikymmenen aikana. Yrityksille, jotka haluavat investoida aikaisin, reservien osaamisen ja toiminnan tehokkuuden palkitseminen voisi olla merkittävää.