Il potenziale dei sensori quantistici negli strumenti di registrazione del pozzo di prossima generazione

La promessa di quantum Sensing per la valutazione della subsuperficie

L'industria del petrolio e del gas si è a lungo affidata a misurazioni elettromagnetiche, nucleari e acustiche per caratterizzare le formazioni subsuperficiali. Questi strumenti convenzionali di ben logging, pur efficaci, hanno limiti fisici fondamentali, soprattutto in ambienti di bassa porosità, alta salinità, o di complessa litologia.

A differenza dei sensori classici che misurano correnti elettriche, tensioni o segnali ottici, i sensori quantistici sondano l'interazione tra un sistema quantistico (ad esempio, un giro atomico, un loop superconduttore, o un difetto di diamante) e un campo esterno.

Modulazioni di rilevamento quantistico chiave

Sono state esplorate diverse piattaforme di sensori quantistici per la distribuzione di downhole:

• I centri di nitrogen-vacancy (NV) in diamante: Questi difetti su scala atomica possono misurare i campi magnetici con sensibilità nanotesla a temperatura ambiente, anche nelle dure condizioni termiche e di pressione di un foro.
• I dispositivi di interferenza quantistica superconduttivi (SQUIDs): I SQUID a bassa temperatura offrono estrema sensibilità al flusso magnetico e sono stati utilizzati per le indagini magnetotelluriche e la risonanza magnetica nucleare (NMR) registrazione.
• Magnetometri atomici:[] Magnetometri atomici su scala chip basati sulle cellule di vapore alcali possono rivaleggiare SQUID senza criogenici, rendendoli più pratici per la linea di filo e per gli strumenti LWD (logging-while-drilling).
• Interferometri atomi:[ Questi dispositivi misurano l'accelerazione gravitazionale con sensibilità fino a pochi microGals, consentendo sondaggi a gravità ad alta risoluzione per mappare le variazioni di densità in un serbatoio.

Ogni piattaforma ha dei trade-off di dimensioni, temperatura di funzionamento, tolleranza alle vibrazioni e consumo di energia—fattori che dettano che possono essere integrati in uno strumento di registrazione standalone o un collare di perforazione.

Vantaggi Sopra i sensori di registrazione del pozzo classico

I sensori classici sono limitati dal rumore Johnson-Nyquist, dal rumore del colpo e dalla deriva termica. I sensori quantistici, quando sono azionati al limite quantistico standard, possono essere segnalati in media nel tempo per ridurre il rumore in modo più efficiente.

Un altro vantaggio è il feedback dei dati in tempo reale durante la perforazione, ad esempio un sensore di risonanza magnetica che ha un effetto quantistico potrebbe identificare le saturazioni di idrocarburi mentre il bit è ancora in fase di taglio, permettendo agli operatori di guidare il pozzo nelle zone più produttive senza uscire per le operazioni di registrazione separate, riducendo così il tempo di accumulo, danni alla formazione e impronta ambientale.

Implicazioni ambientali ed economiche

La definizione più accurata delle zone di paga attraverso logging quantico può ridurre il numero di pozzi di valutazione necessari, ridurre i costi di esplorazione e disturbi di superficie. Nei campi maturi, le indagini di gravità time-lapse utilizzando interferometri atomi possono monitorare lo spostamento dei fluidi, contribuendo a ottimizzare l’induzione di acqua o CO2 con un minimo intervento.

Applicazioni specifiche in Ben Registrazione

Registrazione di risonanza magnetica

Il logging NLT è una tecnica standard per la misurazione della porosità, della distribuzione delle dimensioni dei pori e della digitazione dei fluidi. Tuttavia, gli strumenti NMR convenzionali utilizzano magneti permanenti che producono un gradiente di campo statico, limitando il volume di interrogatori e richiedendo una potenza significativa. I sensori quantistici possono abilitare l'analisi zero-field o ultra-basso campo NMR, dove il campo statico è il campo terrestre o inferiore.

Gravità e gravità

Gli interferometri atomi forniscono ora misurazioni di gradiente di gravità con sensibilità di 1 Eötvös o meglio, consentendo il rilevamento di anomalie di densità sottile causate da tappi di gas, contatti di petrolio-acqua o reti di frattura. Un recente test di campo di ]SPE (OnePetro)-philscale di laboratorio] ha mostrato un livello di distribuzione di gravità.

Magnetotelluric ad alta risoluzione

I ricevitori MT basati su SQUID sono stati utilizzati per diversi anni, ma nuovi magnetometri atomici su scala chip potrebbero ridurre i costi e le dimensioni degli array MT per l'imaging su scala del bacino.

Temperatura e pressione

I sensori di temperatura quantistica basati su centri NV o centri di vacanza SiC (carburo di silicio) possono misurare la temperatura con precisione millikelvin, anche ad alte pressioni. Quando sono stati impiegati in array DTS (rilevamento della temperatura distribuita), potrebbero risolvere i contributi della zona di produzione nei pozzi multilaterali.

Sfide per l'adozione di Widespread

Costo e complessità

I sensori NV-diamond richiedono un diamante sintetico di alta qualità con concentrazioni di difetti ingegnerizzate. I magnetometri atomici hanno bisogno di celle di vapore miniaturizzate e sistemi laser che devono sopravvivere a carichi di urti da 175°C e 20.000 psi. La curva di apprendimento per la produzione di questi strumenti in scala è ripida.

Vibrazione e rumore

Durante la perforazione, le vibrazioni laterali e lo scorrimento a bastone possono produrre accelerazioni superiori a 10 g. I sensori quantistici basati su interferometria atomica o interferometria di Ramsey sono particolarmente sensibili alle vibrazioni. I ricercatori stanno esplorando sistemi ibridi che accoppiano gli accelerometri classici con quelli quantici per sottrarre il rumore delle vibrazioni, ma questo aggiunge costi e complessità.

Requisiti criogenici

Mentre i criostati possono essere miniaturizzati, aggiungono un peso significativo e richiedono un rifornimento periodico, che è impraticabile per lunghe corse di fili o LWD. La spinta verso superconduttori ad alta temperatura e raffreddatori a tubo di impulso senza criogeni è promettente, ma questi sistemi non hanno ancora dimostrato affidabile in ambienti di downhole.

Integrazione dei dati

I dati di log quantistici dovranno essere combinati con i registri convenzionali di raggi gamma, resistenze e neutroni per costruire modelli petrofisici coerenti. L'industria non ha flussi di lavoro standard per l'elaborazione di misurazioni quantiche.

Traiettoria di ricerca e sviluppo

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha finanziato il progetto QUANTUM] (Quantum Unconventional Asset Technology Understanding and Measurement), che si concentra sul logging NV-diamond NMR. In Europa, il Quantum Flagship include gli sforzi per distribuire i sensori di gravità atomica per i maggiori fornitori di idrocarburi

La linea temporale per lo spiegamento commerciale è stimata a cinque o dieci anni per applicazioni di nicchia (ad esempio, il rilevamento di gravità ad alta risoluzione nelle province del sale) e da dieci a quindici anni per l'adozione ampia tra le suite di registrazione.

Conclusioni

I sensori quantistici non sono una fantasia lontana, sono vicini alla disponibilità di campo per applicazioni specifiche di registrazione. La loro sensibilità superiore ai campi magnetici, la gravità e la temperatura permetteranno agli operatori di vedere dettagli più fini della subsuperficie, ridurre l'incertezza di perforazione e ridurre l'impatto ambientale. Mentre le sfide nel costo, la robustezza e l'integrazione rimangono, il ritmo di sviluppo in entrambe le accademia e industria suggerisce che i serbatoi di investimento quantistica gradito saranno dieci anni prima offrendo una conoscenza operativa efficienza.