СПОСОБ, СИСТЕМА И СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛАСТА Российский патент 2011 года по МПК G01V3/26 

Область изобретения

Изобретение относится к методам определения проницаемости геологического пласта, насыщенного жидкостью, путем обработки сигналов, зарегистрированных скважинным каротажным прибором.

Достигнутый уровень техники

Акустическая оценка свойств породы, в частности, - подвижности (m) (m=κ₀/η, где η - сдвиговая вязкость порового флюида, а κ₀ - проницаемость породы), в пласте, окружающем скважину, очень важна при проведении нефтеразведки и нефтедобычи. Прямые измерения мобильности с использованием методик анализа кернов являются дорогостоящими и трудоемкими. Хорошо известно, что как фазовая скорость, так и затухание низкочастотных трубных волн (волн Стоунли, около 1 кГц), генерированных и зарегистрированных при классическом акустическом каротаже, коррелируют с подвижностью флюида околоскважинного пространства. На основании теории Био (Biot) (см., например, M.A.Blot, "Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media" («Механика деформации и распространения акустических волн в пористых средах»), J. Appl. Phys., 33, 4, 1482-1498, 1962) для точечного источника давления в необсаженной скважине, окруженной однородной пористой флюидонасыщенной упругой средой, для случая открытых пор на стенке скважины (см., например, в S.K.Chang, H.-L.Liu, and D.L.Johnson, "Low-frequency waves in permeable rocks" («Низкочастотные волны в проницаемых породах»). Geophysics, 53, 4, 519-527, 1988), и для глинистой корки на стенке скважины (например, см. в: H.-L.Liu и D.L.Johnson, "Effects of an elastic membrane on tube waves in permeable formations" («Влияние упругой мембраны на трубные волны в проницаемых формациях»), J. Acoust. Soc. Am., 101, 6, 3322-3329, 1997), были построены приближенные комплекснозначные выражения для осевой компоненты волнового вектора низкочастотной трубной волны. Эти выражения легли в основу описанной в D.Brie, T.Endo, D.L.Johnson, F.Pampuri, "Quantitative formation permeability evaluation from Stoneley waves" («Количественная оценка проницаемости формации по волнам Стоунли»), SPE 49131, 1-12, 1998, методики оценки подвижности флюида в формации по данным акустического каротажа. К сожалению, для достижения приемлемого уровня погрешности, она требует не менее 10% пористости. Предлагаемая нами аппаратура и методика интерпретации позволяют преодолеть эти ограничения.

В пористом материале, насыщенном жидким электролитом, механические и электромагнитные возмущения, взаимозависимы. Механическое возмущение генерирует электромагнитное поле, влияющее на распространение последнего, и наоборот (так называемый электрокинетический эффект). Исходная причина этого взаимодействия состоит в адсорбции избыточного заряда из порового электролита очень тонким (по сравнению с размером пор) поверхностным слоем скелета, так называемым абсорбирующим слоем. При отсутствии возмущения данный слой электрически уравновешивается распределенными в прилегающем флюиде подвижными ионами, имеющими противоположный заряд. Область флюида, уравновешивающая заряды в адсорбирующем слое, называется диффузным слоем (его толщина намного превышает толщину адсорбирующего слоя). Адсорбирующий слой и диффузный слой вместе составляют двойной электрический слой. Поверхностная плотность адсорбированного заряда определяется физико-химическими свойствами материала каркаса и порового флюида. Механическое возмущение двигает поровый флюид относительно каркаса, следовательно, двигает подвижные заряды диффузного слоя, т.е. возникает фильтрационный ток этих зарядов. Он действует как источник тока в уравнениях Максвелла, генерирующий электромагнитное поле. И наоборот, электрическая компонента электромагнитного возмущения, воздействуя на эти заряды, двигает поровый флюид относительно каркаса. В работе "Governing equations for the coupled electromagnetics and acoustics of porous media" («Определяющие уравнения взаимосвязи между электромагнитными и акустическими волнами в пористых средах»), Phys. Rev. В., Condensed Matter, 50, 15678-15696, 1994, Стивен Р. Прайд (Steven R.Pride) сформулировал уравнения, описывающие распространение взаимозависимых акустических и электромагнитных возмущений в таких средах. Система макроскопических уравнений Прайда в частотном представлении представляет собой следующим образом связанные уравнения Максвелла и уравнения Био: Плотность тока в уравнениях Максвелла равна сумме плотности тока проводимости, плотности тока смещения и плотности фильтрационного тока, а в уравнениях Био, описывающих движение порового флюида, появляется дополнительный член, равный произведению плотности заряда диффузной части двойного слоя (q) и напряженности электрического поля (). Плотность фильтрационного тока равна сумме произведения той же плотности заряда двойного слоя и скорости порового флюида относительно каркаса, помноженной на пористость (ϕ), и произведения "электроосмотической" проводимости, возникающей вследствие электрически индуцированного потока (конвекции) избыточных ионов двойного слоя и напряженности электрического поля, умноженной на отношение пористости к извилистости поровых каналов (α_∞). Все коэффициенты данной системы определяются через параметры, которые можно определить экспериментально или теоретически. Эти уравнения вместе с соотношениями, определяющими их коэффициенты, ниже именуются моделью Прайда.

В патенте США U.S. Pat. № 3,599,085 (Semmelink) описывается метод, в соответствии с которым источник звука опускается в ствол скважины и используется для излучения низкочастотных звуковых волн. Электрокинетический эффект в окружающей насыщенной флюидом породе приводит к образованию в ней колеблющегося электрического поля; оно измеряется при помощи контактного вывода, касающегося стенки ствола скважины, как минимум в двух точках, близких к источнику. Утверждается, что отношение измеренных потенциалов к глубине поверхностного слоя, определяемое электрокинетическим эффектом, должно быть зависимым, чтобы обеспечить оценку проницаемости формации.

В патенте США U.S. Pat. № 4,427,944 (Chandler) описывается устройство для нагнетания флюида под большим давлением противоположной полярности в формацию и для измерения временного поведения образующихся фильтрационных потенциалов, чтобы оценить характерное время переходного процесса, которое обратно пропорционально проницаемости формации, определяемой в соответствии со статьями автора (например, R.N.Chandler, 1981, "Transient streaming potential measurements on fluid-saturated porous structures: an experimental verification of Biot's slow wave in the quasi-static limit," («Измерения неустановившихся фильтрационных потенциалов насыщенных флюидом пористых структур: экспериментальное подтверждение медленной волны Био в квазистатическом пределе») J. Acoust. Soc. Am., 70, 116-121).

В патенте США U.S. Patent 5,417,104 (Wong) описан метод, в соответствии с которым импульсы давления фиксированной частоты излучаются из погружаемого источника, и производится измерение возникающих электрокинетических потенциалов. Электрический источник фиксированной частоты затем используется для возбуждения электроосмотических сигналов, и производится запись во времени возникающего давления. Использование обеих этих записей позволяет получить данные о проницаемости, при условии, что электрическая проводимость породы также будет измерена отдельно.

Патент США U.S. Patent 5,503,001 (Wong) является продолжением патента 5,417,104; в нем предпринята попытка устранения многих недостатков предыдущего патента. Формула изобретения заключается в использовании нескольких частот для подавления влияния шумов на результат, а также в использовании более высоких частот с целью ускорения измерений. Признается, что, если не учитывать глинистую корку, то это приведет к неточным результатам при определении проницаемости. Заявляется, что при использовании прибора с прижимным башмаком с несколькими датчиками давления и электродами, расположенными между источниками дифференциального давления, погрешность уменьшается.

В патенте США U.S. Patent 5,519,322 (Pozzi и др.) описан метод измерения собственно электрокинетического потенциала, индуцированного возбуждением давления. Заявляется, что при измерении определяемого электрокинетического потенциала получаются очень малые значения и проведение измерений посредством электродов является ненадежным по причине фоновых помех. Заявляется, что надлежащие измерения достигаются при помощи измерения магнитного поля.

В патенте США U.S. Pat. 4,904,942 (Thompson) описано несколько схем регистрации электрокинетических сигналов от подземных пластов, в основном, при помощи электродов, измеряющих сигналы и установленных на поверхности земли или вблизи нее и включающих использование источника звука, установленного на погружаемом инструменте. Указания о том, каким образом определяется проницаемость, отсутствуют. Еще один отдаленно связанный с описанным, но обратный ему метод описан в патенте США U.S. Patent 5,877,995, в котором описано несколько схем настройки электрических источников и приемников звука (геофонов) с целью измерения электроакустических сигналов, индуцируемых в подземных породах.

В патенте США U.S. Pat. 6,225,806 B1 (Millar и др.) описана аппаратура для усовершенствования электроакустических измерений, в которой источник звука с двумя частотами радиально излучает звуковой сигнал в стволе скважины, а регистрация электрических сигналов осуществляется парой электродов, расположенных выше и ниже генератора сейсмических колебаний. Заявляется, что за счет использования источника звука, расположенного по центру ствола скважины, возможно проведение непрерывного каротажа. Формулы расчета проницаемости приведены без каких-либо обоснований. Как следует из опубликованного позднее отчета G.Kobayashi, T.Toshioka, T.Takahashi, J.Millar и R.Clarke, 2002, "Development of a practical EKL (electrokinetic logging) system," SPWLA 43^rd Annual Logging Symposium, June 2-5, 2002, 1-6 («Разработка практически применимой электрокинетической каротажной системы», 43-ий ежегодный симпозиум по вопросам каротажа Общества петрофизиков и интерпретаторов каротажных диаграмм (SPWLA), 2-5 июня 2002 г.), в котором приведены пояснения к данному патенту, его авторы использовали одномерную модель для определения фильтрационного потенциала (по времени переходного процесса), предложенную ранее Р.Н.Чендлером (R.N.Chandler), как основу определения проницаемости без каких-либо аргументов в пользу ее применимости. Это явный нонсенс, т.к. общепризнано, что акустико-электрические явления описываются уравнениями Прайда. Патент США U.S. Pat. 6,842,697 B1 является незначительным расширением предыдущего патента.

В патенте США U.S. 5,841,280 (Yu и др.) описан метод и аппаратура для проведения комбинированного акустического и электрического каротажа с целью определения пористости и проводимости перового флюида породы, окружающей ствол скважины. Аппаратура состоит из классического каротажного прибора со схемами подключения приемников звука и электродов для измерения, соответственно, акустических и сейсмоэлектрических сигналов. В методе нигде не упоминается задача определения проницаемости. Авторы используют уравнения Прайда в предположении, что электромагнитное поле является повсюду квазистационарным, что позволяет получить приближенное аналитическое выражение отношения R_E(ω) Фурье изображения осевой компоненты напряженности электрического поля () к Фурье изображению поля давления () в точке приема в стволе скважины. Эта аппроксимация справедлива для волн Стоунли для частот, намного меньших частоты Био, и для тех случаев, когда сделано допущение о том, что на стенке скважины отсутствует глинистая корка. Заявляется формула для R_E(ω). В Патенте, произведение R_E(ω) и Фурье изображения зарегистрированного давления именуется синтетическим электрическим сигналом. Если допустить, что все параметры модели, кроме пористости и проводимости порового флюида, известны, неизвестные величины определяются методом проб и ошибок с целью достижения минимальной разницы между синтетической и зарегистрированной кривой для .

Аппаратура и методики, описанные в вышеупомянутых патентах (U.S. Pat. № 3,599,085; U.S. Pat. № 4,427,944; U.S. Patent 5,417,104; U.S. Patent 5,503,001; U.S. Patent 5,519,322), отличаются многочисленными недостатками. Аппаратура, в которой используются приборы с прижимным башмаком, установленные на стенке скважины, и методы измерения времени переходного процесса электрокинетического потенциала (фильтрационного потенциала), как известно, работает очень медленно и сталкивается с проблемами при передаче импульса давления через глинистую корку. Она (аппаратура) не может служить в качестве устройства для непрерывных измерений проницаемости. Аппаратура и методы, в которых используется электрокинетический динамический потенциал (электроакустический), имеют возможность непрерывного измерения проницаемости. Ввиду того что электрокинетический сигнал очень слаб, патент США U.S. Patent 5,519,322 показывает, что измерения с использованием только электродов, как в патентах США U.S. Pat. 6,225,806 В1 или U.S. Pat. 5,841,280 на практике не применимы, т.к. они подвержены воздействию помех со стороны окружающей среды. Более того, методы, в которых используется точное описание явлений при помощи уравнений Прайда, например, патент США U.S. Pat. 6,225,806 В1, не способны определить петрофизические характеристики формации, окружающей скважину; также для этого не пригодны методы, в которых в общем случае не учитывается наличие глинистой корки на стенке ствола скважины, например, патент США U.S. Pat. 5,841,280. Методы, в которых используется только отношение R_E(ω), приводят к решениям, содержащим многочисленные параметры, подлежащие одновременному определению, а некоторые из них на практике определяются с большими трудностями, например, ζ потенциал.

Краткое изложение сущности изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в предложении метода и системы для устранения указанных выше недостатков.

В первом аспекте изобретение предлагает метод оценки проницаемости формации. Метод включает в себя возбуждение формации импульсами акустической энергии, распространяющимися в указанную формацию. Импульсы акустической энергии включают в себя волны Стоунли. В скважине производится измерение сигналов акустических откликов, образующихся при акустическом возбуждении, и электромагнитных сигналов, порождаемых указанными импульсами акустической энергии. Далее, метод заключается в выделении волн Стоунли из регистрируемых полных волновых пакетов акустических и электромагнитных полей, распространяющихся через указанную формацию. Сигналы акустических и электромагнитных откликов, представляющие собой волны Стоунли, распространяющиеся через указанную формацию, синтезируются с использованием начального значения проницаемости. Определяется разность между волновыми характеристиками (HP(f) и EP(f) кривые (их определение будет дано ниже)) выделенных из регистрируемых волновых пакетов акустических и электромагнитных волн Стоунли и соответствующими характеристиками синтетических волн Стоунли. Производится корректировка начальных значений проницаемости и повторяется вычисление соответствующей разности до тех пор, пока эта разность не достигнет минимального значения. Значение проницаемости, которая обеспечивает этот минимум, принимается за проницаемость формации.

В первом предпочтительном воплощении импульсы акустической энергии генерируются на каротажном приборе, установленном внутри ствола скважины, окруженной формацией.

Во втором предпочтительном воплощении электромагнитные сигналы представляют собой магнитные сигналы.

В третьем предпочтительном воплощении электромагнитные сигналы представляют собой электрические сигналы.

В четвертом предпочтительном воплощении электромагнитные сигналы представляют собой как магнитные, так и электрические сигналы.

В пятом предпочтительном воплощении импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой волны сжатия.

В шестом предпочтительном воплощении импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой поперечные волны.

Во втором аспекте в изобретении предлагается система оценки проницаемости формации, окружающей ствол скважины. Система, включающая в себя каротажный зонд, опускается в ствол скважины. Источник акустической энергии, расположенный на каротажном зонде, обеспечивает возбуждение формации импульсами акустической энергии. Система приемников звука позволяет измерить акустические характеристики сигналов, возбуждаемых импульсами звуковой энергии в формации. Кроме того, в состав системы входит массив электромагнитных приемников. Электромагнитные приемники позволяют измерить электромагнитный сигнал, возбуждаемый импульсами звуковой энергии в формации. Средства обработки позволяют проанализировать измеренные сигналы с тем, чтобы оценить проницаемость формации.

В седьмом предпочтительном воплощении электромагнитный приемник представляет собой магнитный приемник, позволяющий измерить магнитный сигнал, возбуждаемый импульсами звуковой энергии в формации.

В восьмом предпочтительном воплощении электромагнитный приемник представляет собой электрический приемник, позволяющий измерить электрический сигнал, возбуждаемый импульсами звуковой энергии в формации.

В девятом предпочтительном воплощении электромагнитный приемник состоит из электрического приемника, позволяющего измерить электрический сигнал, возбуждаемый импульсами звуковой энергии в формации, и магнитного приемника, позволяющего измерить магнитный сигнал, вырабатываемый импульсами звуковой энергии в формации.

В десятом предпочтительном воплощении электрические приемники представляют собой электроды.

В одиннадцатом предпочтительном воплощении магнитные приемники представляют собой катушки.

В третьем аспекте в изобретении предлагается каротажный зонд, предназначенный для измерения проницаемости формации, окружающей ствол скважины. В состав каротажного зонда входит удлиненный центрированный зонд, покрытый изолирующим материалом, или изготовленный из непроводящего материала. Как минимум один низкочастотный монополь и массив датчиков давления и катушек с ферритовыми сердечниками располагаются в аксиально отстоящих друг от друга точках вдоль центрированного зонда и отделены друг от друга звуковыми и электрическими изоляторами. Катушки имеют форму последовательно соединенных сегментов тора, расположенных по окружности вокруг центрированного зонда. Катушки могут располагаться между азимутально расположенными на равном удалении друг от друга датчиками давления. Электроды располагаются в аксиально отстоящих друг от друга точках, отдаленных от источника акустической энергии так, что датчики давления располагаются посередине между двумя смежными электродами.

В двенадцатом предпочтительном воплощении в состав каротажного зонда, кроме того, входит высокочастотный монополь.

В тринадцатом предпочтительном воплощении в состав каротажного зонда, кроме того, входит дипольный излучатель.

В четырнадцатом предпочтительном воплощении расстояние по окружности между соседними концами ферритовых сердечников больше диаметра датчиков давления, а радиус ферритового сердечника превышает высоту, на которую эти датчики возвышаются над поверхностью зонда.

В пятнадцатом предпочтительном воплощении только та часть центрированного зонда, на которой распределены электроды, покрыта изолирующим материалом или изготовлена из непроводящего материала.

В шестнадцатом предпочтительном воплощении под низкочастотным монополем установлен блок ядерного каротажа.

Другие аспекты и преимущества изобретения станут ясны из последующего описания и прилагаемых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведен пример акустического/электромагнитного каротажного зонда в соответствии с изобретением;

На фиг.2 приведено увеличенное поперечное сечение каротажного зонда, изображенного на фиг.1, в частности, расположение датчиков давления и катушек;

На фиг.3 приведены кривые частотной зависимости отношения ЕР или HP для проницаемых формаций для случая открытых пор;

На фиг.4 приведены кривые частотной зависимости отношения ЕР или HP для проницаемых формаций для случая запечатанных пор;

На фиг.5 приведены кривые частотной зависимости отношения ЕР или HP для слабопроницаемых формаций для случая открытых пор;

На фиг.6 приведены кривые частотной зависимости отношения ЕР или HP для слабопроницаемых формаций для случая запечатанных пор.

Описание предпочтительного воплощения изобретения

При акустическом возбуждении формации возбуждается электромагнитный сигнал, состоящий из электрического сигнала и/или магнитного сигнала. Электрическое поле или разность электрических потенциалов, таким образом, дает возможность измерения электрического сигнала. Напротив, измерение магнитного поля дает возможность измерения магнитного сигнала. В качестве альтернативы, можно измерить как электрическое, так и электромагнитное поле.

В настоящем описании термин "электромагнитный" может обозначать электрический сигнал, вырабатываемый акустическим сигналом, или магнитный сигнал, вырабатываемый акустическим сигналом.

Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию примера каротажного зонда в соответствии с настоящим изобретением. В качестве акустико-электромагнитного каротажного зонда (AEMLD) предлагается использовать традиционный акустический каротажный зонд (ALD) (например, акустический каротажный зонд с 8 приемниками Schlumberger STD-A в соответствии с докладом: C.F.Morris, T.M.Little, и W.Letton, 1984, "A new sonic array tool for full-waveform logging," Presented at the 59^th Ann. Tech. Conf. and Exhibition, Soc. Petr. Eng., paper SPE-13285. («Новый акустический зонд для волнового акустического каротажа», представленный на 59-ой ежегодной технической конференции-выставке Общества инженеров-петрофизиков, доклад SPE-13285)). Зонд, соответствующий изобретению, позволяет оценить проницаемость формации, окружающей ствол скважины, и включает в себя удлиненный центрированный зонд 1 с центраторами 2 и включает в себя блок передатчика 3, как минимум, с одним источником акустической энергии (передатчиком), периодически излучающим импульсы акустической энергии, и массивом акустических и электромагнитных приемных секций 4 и 5, расположенных аксиально с интервалами вдоль центрированного зонда и разделенных при помощи акустических и электрических изоляторов 6. Каждый акустический приемник включает в себя четыре или восемь датчиков давления, расположенных азимутально на равном расстоянии друг от друга. Эти датчики давления (например, пьезокерамические) подсоединены к усилителям, выходы которых соединены с блоком телеметрии/ контроллера, предназначенным для корректировки и передачи измерений напряжения на расположенные на поверхности электронные устройства для записи и интерпретации для определения одной или нескольких удельных характеристик акустических волн, распространяющихся в заполненной флюидом скважине или вокруг нее. В состав обычного акустического каротажного зонда входят как монопольный, так и дипольный акустические излучатели, предназначенные для возбуждения импульсов акустической энергии в заполненном флюидом стволе скважины и в окружающей формации; система приемников, позволяющая обнаружить звуковые волны, распространяющиеся внутри заполненного флюидом ствола скважины и вокруг него, и/или распространяющихся через толщу пород, а также погружаемые источники питания и электронные модули, предназначенные для управления работой излучателей и для приема обнаруженных звуковых волн и обработки полученных данных для их передачи на поверхность земли.

Во время эксплуатации акустического каротажного зонда излучатель генерирует звуковые волны, которые проходят до пласта породы через заполненный флюидом ствол скважины. Распространение звуковых волн в заполненном флюидом стволе скважины представляет собой сложное явление и испытывает влияние механических характеристик нескольких отдельных акустических доменов, включая толщу пород, столб флюида, заполняющего скважину и сам каротажный зонд. Акустическая волна, излучаемая передатчиком, проходит через флюид и наталкивается на стенку ствола скважины. При этом возбуждаются волны сжатия, поперечные волны, проходящие сквозь толщу пород, поверхностные волны, проходящие вдоль стенки ствола скважины и волны, возбуждаемые ими, распространяющиеся в столбе бурового раствора.

Блок передатчика 3 предлагаемого акустико-электромагнитного каротажного зонда должен включать в себя низкочастотный монополь (f_пик=600-1000 Гц), являющийся основным источником при генерировании волны Стоунли. Кроме того, он может включать в себя два различных звуковых излучателя:

- Высокочастотный монополь (f_пик≈20 кГц). Он используется для генерирования быстрой волны сжатия (P₁ - волна) и прямого измерения его фазовой скорости (медленности) по времени первого вступления волны;

- Дипольный излучатель (f_пик=5-10 кГц). Он используется для генерирования волнового пакета без Р₁ - волны, за счет чего появляется возможность непосредственного измерения скорости (медленности) поперечной волны через время первого вступления, т.к. в этом случае в волновом пакете отсутствует Р₁ мода.

Передатчики периодически включаются в работу и возбуждают импульсы акустической энергии во флюиде, заполняющем ствол скважины. Импульсы акустической энергии проходят через буровой раствор и, в конечном счете, доходят до стенки ствола скважины, где они взаимодействуют с ним и распространяются вдоль толщи пород, образуя в формации возбужденное стенкой ствола скважины электромагнитное поле. В конечном счете, некоторая часть акустической и электромагнитной энергии доходит до электромагнитных приемников, где происходит ее обнаружение и преобразование в электрические сигналы. Приемники имеют электрическую связь с блоком телеметрии/контроллеров, который может форматировать сигналы для передачи на расположенные на поверхности электронные устройства для регистрации и интерпретации. Блок телеметрии/контроллеров может включать в себя соответствующие устройства для записи (отдельно не показаны), предназначенные для хранения сигналов, полученных от приемника, до извлечения прибора из ствола скважины.

Для измерения формы волны давления P(t) и азимутальной компоненты напряженности магнитного поля в состав устройства включены соединенные одинаковые катушки с ферритовым сердечником 7, имеющие форму сегмента тора, распределенные по окружности между датчиками давления 8 (фиг.1 и фиг.2). При этом (см. фиг.2), расстояние по окружности между соседними концами ферритовых сердечников 7 превышает диаметр датчиков давления 8, а радиус ферритового сердечника превышает высоту, на которую эти датчики возвышаются над поверхностью зонда. Эти условия обеспечивают эффективное проникновение магнитного поля внутрь катушек и в силу того, что возможно использование многослойной обмотки и ферритовых сердечников с относительной магнитной проницаемостью порядка 10⁴-10⁵, можно обеспечить уровень индуцированного напряжения, приемлемый для усиления (регистрации) на выходе этих последовательно соединенных катушек с помощью собственного дифференциального усилителя для амплитуды радиального смещения низкочастотного монопольного излучателя, достаточной для практической реализации (1 мкм или более). Это напряжение пропорционально величине напряженности магнитного поля в точке датчика давления.

Для проведения электрических измерений (E^z(t)) в состав устройства входят электроды 9, установленные в точках, аксиально отстоящих от передатчика. Часть центрированного зонда устройства, на которой установлены электроды, включает в себя электрически изолированный корпус (отдельно не показан), который можно изготовить из стекловолокна или аналогичного материала, что необходимо для того, чтобы электроды смогли обнаружить электрические напряжения в стволе скважины. Электроды могут быть любых типов, хорошо известных в искусстве обнаружения электрических напряжений в стволе скважины. На фиг.1 электроды 9 показаны в виде проводящих колец, а центрированный зонд должен быть изолирован. Каждая пара смежных электродов соединена с дифференциальным усилителем. Напряжение между электродами, деленное на расстояние между ними, дает интенсивность аксиальной компоненты электрического поля в точке расположения акустического приемника, расположенного посередине между парой колец.

Секция приемника 4 или 5 состоит из восьми или шестнадцати секций акустических и магнитных приемников (Р-Н приемники) (см. фиг.2), располагающихся на расстоянии ~15 см друг от друга, и девяти или семнадцати проводящих колец. Ее нижний Р-Н приемник устанавливается на расстоянии ~2 м от блока передатчика 3. В состав секции приемника 4 входит два Р-Н приемника (расстояние между ними ~50 см) и два проводящих кольца, установленных на расстоянии от Р-Н приемника ~5 см. Ее нижний Р-Н приемник устанавливается на расстоянии ~1 м от блока передатчика 3. Кроме того, в состав устройства может входить блок ядерного каротажа 10, предназначенный для измерений плотности формации ниже блока передатчика. Зонд можно опускать в ствол скважины, пробуренный в толще пород, и извлекать из него при помощи армированного электрического кабеля 11. Положения модулей усилителя напряжения, блока оцифровки данных каротажа, блока управления излучателями и секции измерения перепада температур (ΔT) бурового раствора на чертежах не показаны.

Измерения магнитного поля в скважине менее чувствительны к помехам по сравнению с измерениями электрического поля. Тем не менее предпочтительно использовать оба вида измерений по следующим причинам:

- они позволяют облегчить калибровку измерительного оборудования;

- сравнение кривых HP(f) и ЕР(f) (их определение будет дано ниже), полученных в результате измерений (теоретически они должны совпадать), позволяет более достоверно сгладить всплески, наблюдаемые на этих кривых, в силу шумовых возмущений, имеющих место во время измерений и E^z(t). (Данная процедура сглаживания необходима для повышения точности определения подвижности.)

Численные эксперименты, изучающие влияние подвижности порового флюида формации на распространение электромагнитных волн в формации, окружающей ствол скважины, показали следующее:

- Волны Стоунли и нормальные волны являются наиболее чувствительными к проницаемости в широком диапазоне ее значений;

- Частотная зависимость отношения R_H(ω) комплекснозначной амплитуды волны Стоунли (Фурье преобразование по времени азимутальной компоненты интенсивности магнитного поля) к комплекснозначной амплитуде волны Стоунли (Фурье преобразование по времени давления) и частотная зависимость отношения R_E(ω) комплекснозначной амплитуды (Фурье преобразование по времени волны Стоунли аксиальной компоненты интенсивности электрического поля) к комплекснозначной амплитуде волны Стоунли (Фурье преобразование по времени давления) несут важную информацию о подвижности порового флюида и жесткости глинистой корки, а кривые частотной зависимости отношения HP=Re (R_H(ω))/Im (R_H(ω)) и отношения EP=Re (R_E(ω))/Im (R_E(ω)) хорошо чувствуют их изменения в широком диапазоне их значений. Отношение реальной к мнимой части R_E(ω) для волн Стоунли существенно упрощает решение и снижает количество параметров. Это может быть целесообразно для определения отношения магнитного поля к давлению или одновременно и того, и другого.

Результаты анализа численного моделирования показали, что для типичных формаций и используемого диапазона частот влияние электромагнитных волн, возбужденных звуковыми волнами, на последние ничтожно мало. Следовательно, система Прайда расщепляется на уравнения Био и уравнения Максвелла, только с плотностью стороннего тока, определяемой скоростью перемещения порового флюида относительно каркаса. Это позволило вывести приблизительные аналитические выражения для R_H(ω) и НР(ω), а также для R_E(ω)и ER(ω), охватывающие экстремальные случаи, т.е. для открытых и закрытых пор стенок необсаженной скважины, а именно:

Для открытых пор

где ,

, µ₀=4π·10^-7 Гн/м

, .

С этого момента, (ε₀ ε_f) - диэлектрическая проницаемость порового флюида; ζ - значение электрокинетического потенциала (дзета-потенциала); η - вязкость порового флюида; κ₀ - проницаемость формации; M_b∈[1, 2]; ω=2πf - циклическая частота; - частота Био, ρ_f - плотность порового флюида; ρ_b - плотность скважинного флюида; δ=1-(r_d/r_b)², r_b - радиус скважины, r_d - радиус акустико-электромагнитного каротажного зонда (AEMLD); σ=ϕ(σ_f-σ_s)/α_∞+σ_s - проводимость формации, σ_f - проводимость порового флюида, σ_s - проводимость каркаса; σ_b - проводимость бурового раствора;

- постоянная диффузии;

M=(ϕ/k_f+(1-ϕ-χ)/k_s)^-1, а=1-χ, , χ=K/k_s,

K, G - модуль объемного сжатия и модуль сдвига сухого каркаса, k_s - модуль объемного сжатия материала каркаса; K_b - модуль объемного сжатия скважинного флюида; k_f - модуль объемного сжатия порового флюида. I_n и K_n обозначают модифицированные функции Бесселя первого и второго рода n-го порядка. Для типичных параметров формации, является практически действительной функцией для частот свыше 100 Гц.

Из выражения (1) следует простая приближенная формула для HP(f):

Для R_E(ω) мы имеем следующее выражение:

где .

Для типичных параметров формации также представляет собой практически действительную функцию для частот свыше 100 Гц, и, как следствие, мы имеем:

Для запечатанных пор:

где определено выше, а

Здесь

;

, , , , ρ=(1-ϕ)ρ_s+ϕ·ρ_f,

, ,

, , , ,

, ,

где С₊ - фазовая скорость продольной волны, C_sh - фазовая скорость поперечной волны, V_St - фазовая скорость волны Стоунли (St), ρ_s - плотность материала каркаса, и ρ - плотность формации.

Для R_E(ω) мы имеем следующее выражение:

и

Из вышесказанного очевидно, что выражения для HP(f) и EP(f) совпадают для случаев с открытыми и закрытыми порами, соответственно.

Для вывода вышеуказанных соотношений были сделаны следующие общие допущения:

- Рассматривался низкочастотный вариант, т.е. частоты были значительно ниже частоты Био;

- Скважинный флюид, окружающий акустико-электромагнитный каротажный зонд (r∈(r_d, r_b))-рассматривается как сжимаемый невязкий флюид с плотностью ρ_b, модулем объемного сжатия K_b, проводимостью σ_b и относительной диэлектрической проницаемостью ε_b. Сделано допущение о том, что ток смещения много меньше тока проводимости в буровом растворе. Формация, окружающая скважину (r>r_b), представляет собой однородную пористую среду, насыщенную электролитом.

- Делается допущение о том, что диэлектрическая проницаемость и проводимость акустико-электромагнитного каротажного зонда имеют те же значения, что и для скважинного флюида. Данное допущение обосновано, если акустико-электромагнитный каротажный зонд электрически изолирован от скважинного флюида (его заземленный проводящий металлический корпус (корпус погруженного зонда) покрыт слоем диэлектрика), а его радиус намного меньше длины электромагнитной волны в изолирующем покрытии. Это условие всегда выполняется для частот звукового диапазона.

На фиг.3, 4, 5 и 6 изображены кривые HP(f), составленные на основании результатов расчетов при помощи кода PSRL (сплошная линия) и формул для открытых пор (2) и для закрытых пор (6) (пунктирная линия). Код PSRL описан в B.D.Plyushchenkov and V.I.Turchaninov, "Solution of Pride's equations through potentials," (Б.Д.Плющенков и В.И.Турчанинов «Решение уравнений Прайда при помощи потенциалов») Int. J. Mod. Phys. С., 17, 6, 877-908 (2006). Эти расчеты были проведены для проницаемых формаций (песчаники Фонтенбло-В (FB-B) для κ₀=125, 250 мД) и для слабо проницаемых формаций (песчаники Фонтенбло-С (FB-C) для κ₀=2.4, 4.8, 9.6 mD). Исходные данные для этих расчетов представлены в Таблице 1. Кривые HP (f) для открытых пор, для формации FB-B приведены на фиг.3, а для формации FB-C - на фиг.5. фиг.4 и фиг.6 соответствуют случаю с закрытыми порами для тех же формаций. Во всех случаях существует очень хорошее согласование между приближенными аналитическими выражениями (2) и (6) и аналогичными кривыми, полученными при помощи кода PSRL, который решает всю систему уравнений Прайда.

Таким образом, предлагается новый метод оценки проницаемости формации (или подвижности порового флюида m=κ₀/η, где κ₀ - проницаемость формации, η - вязкость порового флюида) по данным совместных измерений звуковых волн и электромагнитных волн, сгенерированных акустическими волнами. Метод включает в себя следующие шаги:

- Первый шаг метода состоит в совместном измерении поля давления P(t) и электромагнитного поля ( и E^z(t));

- Второй шаг включает в себя предварительную обработку измеренных данных с целью выделения волн Стоунли из регистрируемых волновых пакетов давления и электромагнитных сигналов, путем выделения комплекснозначных спектров волн Стоунли. Предварительная обработка может осуществляться, например, при помощи алгоритма разложения ТКО, описанного в М.Р Ekstrom, "Dispersion estimation from borehole acoustic arrays using a modified matrix pencil algorithm," presented at 29-th Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, CA, October 31, 1995, pp.5. («Оценка дисперсии по сейсмограмме с использованием модифицированного алгоритма для пучковых матриц), представленную на 29-й Асиломарской конференции по сигналам, системам и компьютерам, г.Пасифик-Гроув, штат Калифорния, 31 октября 1995 г., с.5). Применение этой процедуры позволяет рассчитать EP(f) и HP(f).

- Последний шаг включает в себя нахождение наилучших значений проницаемости (подвижности), чтобы подогнать аналитические кривые HP(f) и ЕР(f): (2) и (4) при отсутствии глинистой корки или (6), (8) в случае присутствия глинистой корки, к измеренной кривой HP(f) и EP(f), полученной во время выполнения второго шага. Сначала при помощи некоторых начальных значений мобильности синтезируются аналитические кривые. Начальное значение подвижности корректируется итеративным способом, и шаги повторяются до тех пор, пока несоответствие не станет минимальным (методом проб и ошибок или инверсии). Предполагается, что все параметры в (2)-(4) или (6)-(8) известны из других каротажных измерений.

Хотя изобретение описано в отношении ограниченного количества воплощений, исследователи, имеющие опыт в данной области, найдут другие воплощения данного изобретения, не отклоняющиеся от области действия изобретения, приведенного в настоящем документе. Соответственно область действия изобретения должна быть ограничена только прилагаемыми формулами изобретения.

Таблица 1 Параметры скважины, бурового раствора и зонда #1 #2 радиус скважины r_b (м) 0,12 0,12 радиус зонда r_d (м) 0,05 0,05 ε зонда ε_d 3, 3, проводимость зонда σ_d (Ом^-1*м^-1) 0, 0, плотность бурового раствора ρ_b (кг*м³) 1,2·10³ 1,2·10³ модуль объемного сжатия бурового раствора K_b (Н*м^-2) 2,7·10⁹ 2,7·10⁹ ε бурового раствора ε_b 70, 70, проводимость бурового раствора σ_b (Ом^-1*м^-1) 0,5 0,5 Параметры формации FB-B FB-C плотность флюида ρ_f (кг*м^-3) 1·10³ 1·10³ модуль объемного сжатия флюида k_f (Н*м^-2) 2,25·10⁹ 2,25·10⁹ вязкость флюида η (Н*сек*м^-2) 0,001 0,001 ε флюида ε_f 80, 80, проводимость флюида σ_f (Ом^-1*м¹) 0,1 0,1 электрокинетический потенциал ζ (В = Вольт) -0,07 -0,06 пористость ϕ 0,168 0,067 плотность каркаса ρ_s (кг*м^-3) 2,64·10³ 2,63·10³ модуль объемного сжатия материала каркаса k_s (Н*м^-2) 3,9·10¹⁰ 3,9·10¹⁰ модуль сдвига сухого каркаса G (Н*м^-2) 2,34·10¹⁰ 3,19·10¹⁰ коэффициент сцементированности χ 0,82 0,93 ε каркаса ε_s 4,5 4,5 извилистость поровых каналов α_∞ 3,33 9,18 M_b M_b 1, 1, проницаемость κ₀ (дарси(D) = 1·10^-12 м²) 0,125; 0,25; 0,5 0,0024, 0,0048, 0,0096

Изобретение относится к методам определения проницаемости геологической формации, насыщенной жидкостью, и предоставляет метод, систему и каротажный зонд для определения проницаемости. Метод состоит в возбуждении формации импульсами акустической энергии, распространяющимися в формацию, в измерении акустических и электромагнитных сигналов, возбуждаемых упомянутыми импульсами акустической энергии внутри формации, и в выделении акустической и электромагнитных волн Стоунли из указанных измеренных акустических и электромагнитных сигналов. Синтезируются акустические и электромагнитные сигналы, представляющие собой волны Стоунли, распространяющиеся через формацию. Производится сравнение волновых характеристик акустических и электромагнитных волн Стоунли, выделенных из измеренных акустических и электромагнитных сигналов с соответствующими характеристиками синтезированных волн Стоунли. Проницаемость определяется из условия минимума разностей между ними. Технический результат - повышение точности определения проницаемости геологического пласта и расширение функциональных возможностей. 3 н. и 42 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Метод оценки проницаемости формации, включающий в себя:
возбуждение формации импульсами акустической энергии, распространяющимися в указную формацию, упомянутые импульсы звуковой энергии включают волны Стоунли;
измерение акустических сигналов, возникающих при акустическом возбуждении;
измерение электромагнитных сигналов, порождаемых указанными импульсами звуковой энергии внутри формации;
выделение акустических и электромагнитных волн Стоунли из измеренных акустических и электромагнитных сигналов, распространяющихся через формацию;
выбор начального значения проницаемости;
расчет синтетических сигналов акустического и электромагнитного откликов, представляющих собой волны Стоунли, распространяющиеся через указанную формацию при помощи указанного начального значения проницаемости;
определение разности между волновыми характеристиками акустических и электромагнитных волн Стоунли, выделенных из измеренных акустических и электромагнитных сигналов, и аналогичными характеристиками указанных синтезированных волн Стоунли;
корректировка указанного начального значения упомянутой проницаемости и повторение указанных шагов расчета указанных синтезированных акустических и синтезированных электромагнитных сигналов, представляющих собой волны Стоунли, распространяющиеся через упомянутую формацию, определение упомянутой разности и корректировка упомянутого значения упомянутой проницаемости до тех пор, пока упомянутая разность не достигнет минимума.

2. Метод по п.1, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются магнитными сигналами.

3. Метод по п.1, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются электрическими сигналами.

4. Метод по п.1, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются как магнитными, так и электрическими сигналами.

5. Метод по п.1, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой волны сжатия.

6. Метод по п.1, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой поперечные волны.

7. Метод по п.1, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой как волны сжатия, так и поперечные волны.

8. Метод по п.1, в соответствии с которым импульсы звуковой энергии генерируются на каротажном зонде, установленном в стволе скважины, окруженной формацией.

9. Метод по п.8, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются магнитными сигналами.

10. Метод по п.8, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются электрическими сигналами.

11. Метод по п.8, в соответствии с которым электромагнитные сигналы являются как магнитными, так и электрическими сигналами.

12. Метод по п.8, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой волны сжатия.

13. Метод по п.8, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой поперечные волны.

14. Метод по п.8, в соответствии с которым упомянутые импульсы акустической энергии, кроме того, представляют собой как волны сжатия, так и поперечные волны.

15. Система оценки проницаемости формации, окружающей ствол скважины; в состав системы входят:
каротажный зонд, опускаемый в ствол скважины, включающий в себя как минимум один источник акустической энергии, расположенный на упомянутом каротажном зонде, источник акустической энергии, позволяющий возбудить формацию импульсами звуковой энергии, распространяющимися внутри формации, указанные импульсы звуковой энергии содержат в себе волны Стоунли, массив акустических приемников, предназначенный для измерения сигналов акустического отклика, возбуждаемых импульсами акустической энергии внутри формации, массив электромагнитных приемников для измерения электромагнитного сигнала, возбуждаемого импульсами акустической энергии внутри формации;
средства обработки, предназначенные для анализа измеряемых сигналов с целью оценки проницаемости формации.

16. Система по п.15, в соответствии с которой электромагнитный приемник представляет собой магнитный приемник, обеспечивающий возможность измерения магнитного сигнала, возбуждаемого импульсами акустической энергии внутри формации.

17. Система по п.16, в которой магнитные приемники представляют собой катушки.

18. Система по п.15, в соответствии с которой электромагнитный приемник представляет собой электрический приемник, обеспечивающий возможность измерения электрического сигнала, возбуждаемого импульсами акустической энергии внутри формации.

19. Система по п.18, в которой электрические приемники представляют собой электроды.

20. Система по п.15, в соответствии с которой электромагнитный приемник состоит из электрического приемника, позволяющего измерить электрический сигнал, вырабатываемый импульсами акустической энергии внутри формации, и магнитного приемника, позволяющего измерить магнитный сигнал, возбуждаемого импульсами акустической энергии внутри формации.

21. Система по п.20, в которой электрические приемники представляют собой электроды.

22. Система по п.20, в которой магнитные приемники представляют собой катушки.

23. Система по п.15, в соответствии с которой импульсы акустической энергии, в добавок, содержат в себе поперечные волны.

24. Система по п.15, в соответствии с которой импульсы акустической энергии, в добавок, содержат в себе волны сжатия.

25. Система по п.24, в соответствии с которой импульсы акустической энергии, в добавок, содержат в себе поперечные волны.

26. Каротажный зонд для оценки проницаемости формации, окружающей ствол скважины; в состав зонда входят:
удлиненный центрированный зонд, покрытый изолирующим материалом или изготовленный из непроводящего материала;
как минимум один низкочастотный монополь и массив датчиков давления и катушек с ферритовыми сердечниками, расположенные в аксиально отстоящих друг от друга точках вдоль центрированного зонда и отделенные друг от друга звуковыми и электрическими изоляторами; катушки имеют форму последовательно соединенных сегментов тора, расположенные по окружности вокруг центрированного зонда;
электроды, расположенные в аксиально отделенных от источника акустической энергии точках таким образом, чтобы датчики давления располагались посередине между двумя смежными электродами.

27. Каротажный зонд по п.26, в состав которого, кроме того, входит, блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

28. Каротажный зонд по п.26, в котором расстояние по окружности между соседними концами ферритовых сердечников превышает диаметр датчиков давления, а радиус ферритового сердечника превышает высоту, на которую данные датчики возвышаются над поверхностью зонда.

29. Каротажный зонд по п.28, в состав которого, кроме того, входит, блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

30. Каротажный зонд по п.26, в котором только та часть центрированного зонда, на которой установлены электроды, покрыта изолирующим материалом или изготовлена из непроводящего материала.

31. Каротажный зонд по п.30, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

32. Каротажный зонд по п.26, в состав которого, кроме того, входит высокочастотный монополь.

33. Каротажный зонд по п.32, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

34. Каротажный зонд по п.32, в состав которого, кроме того, входит дипольный излучатель.

35. Каротажный зонд по п.34, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

36. Каротажный зонд по п.26, в состав которого, кроме того, входит дипольный излучатель.

37. Каротажный зонд по п.36, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

38. Каротажный зонд по п.26, в котором катушки располагаются между азимутально равноудаленными друг от друга датчиками давления.

39. Каротажный зонд по п.38, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

40. Каротажный зонд по п.38, в состав которого, кроме того, входит дипольный излучатель.

41. Каротажный зонд по п.40, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

42. Каротажный зонд по п.38, в состав которого, кроме того, входит высокочастотный монополь.

43. Каротажный зонд по п.42, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.

44. Каротажный зонд по п.42, в состав которого, кроме того, входит дипольный излучатель.

45. Каротажный зонд по п.44, в состав которого, кроме того, входит блок ядерного каротажа, установленный ниже акустического передатчика.