СПОСОБ БОКОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01V3/20 

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины, вызванного проникновением бурового раствора в пласт.

Известен способ измерения при боковом каротаже трехэлектродным зондом [1], при котором на центральный и экранные электроды зонда, соединенные между собой для уравнивания их потенциалов электрическим шунтом малого (0,01 Ом) сопротивления, подают питающий переменный ток, измеряют ток I₀ центрального электрода и потенциал ΔU экранных электродов относительно электрода сравнения (удаленного электрода) и определяют кажущееся удельное сопротивление ρ_k горных пород по формуле:

$${\rho }_k=K_3\cdot \frac{\Delta U}{I_0},\left(1\right)$$

где К₃ - коэффициент зонда;

I₀ - ток центрального электрода;

ΔU - потенциал экранных электродов относительно электрода сравнения.

Этот способ измерения дает удовлетворительные результаты при не слишком низких удельных сопротивлениях (более 0,1 Ом·м) бурового раствора.

Известен способ измерения при боковом каротаже трехэлектродным зондом [2], предлагающий дополнительно в процессе каротажа измерять удельное сопротивление бурового раствора и температуру в скважине, определять сопротивление цепи, соединяющей центральный и экранные электроды, после чего определять ρ_k по предварительно рассчитанным зависимостям для ряда значений удельного сопротивления пласта, сопротивления цепи и номинального диаметра скважины.

Безусловно, учет условий проведения измерений и введение дополнительных поправок улучшает результат, но не дает принципиальных преимуществ.

Известен способ бокового каротажа [3], предлагающий возбуждать переменные электрические поля зондовыми системами разноглубинных зондов бокового каротажа токами различных частот, измерять токи и потенциалы центрального электрода зондовых систем и при этом разделять суммарные сигналы токов и потенциалов центрального электрода на частотные составляющие.

Данное развитие способа бокового каротажа обусловлено развитием электроники и не является чем-то принципиально новым.

Известны предложения по расширению функциональных возможностей бокового каротажа, а также повышению информативности его геофизических данных [4, 5]. Авторы данных работ предлагают тем или иным способом использовать известные зонды бокового каротажа для проведения измерений в процессе бурения.

Известен способ определения удельного сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения, вызванного проникновением бурового раствора, названный способом бокового каротажного зондирования (БКЗ) [6]. Сущность БКЗ сводится к измерению в скважине серии кривых кажущегося сопротивления с различными (все возрастающими) размерами потенциал- или градиент-зондов и последующему построению для каждого из пластов исследуемого разреза кривых зависимости кажущегося удельного сопротивления от размера зонда. Недостатком БКЗ потенциал- и градиент-зондами является то, что результаты измерений этими зондами значительно подвержены искажающему влиянию скважины и вмещающих пород.

Наиболее близким к изобретению является способ бокового электрического зондирования (БЭЗ) [7].

Способ включает подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи разноразмерных многоэлектродных зондов, состоящих из измерительных и токовых электродов, отличающийся тем, что зонды расположены в скважинном каротажном корпусе, выполненном из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением или из стальных секций, соединенных между собой в единую электрическую цепь перемычками из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением в местах подключения к этому корпусу измерительных и токовых электродов, причем измерительный датчик второй разности с тремя эквидистантными электродами подключают к внутренней боковой поверхности скважинного каротажного корпуса, на заданных расстояниях от центра этого датчика к внутренней боковой поверхности скважинного каротажного корпуса подключают n токовых диполей, в каждый из которых поочередно подают электрический ток, при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего электрода измерительного датчика с корпусом и вторую разность потенциалов и определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород по формуле

$${\rho }_{ni}=K_{3i}\cdot R_{M1M2}\cdot \frac{U_N(I_{AiBi})}{{\Delta }^{2}U(I_{AiBi})},\left(2\right)$$

где U_N(I_A1B1) - потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода датчика второй разности соответственно при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iВ_i;

Δ²U(I_AiBi) - вторая разность потенциалов при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iВ_i;

R_M1M2 - заранее определенное погонное электрическое сопротивление участка скважинного корпуса между крайними измерительными электродами M₁M₂ измерительного датчика второй разности;

I_AiBi - ток, подаваемый к скважинному корпусу через i-й токовый диполь А_iВ_i;

i - порядковый номер зонда соответствующего размера, где i=1, 2, …, n;

n - максимальное количество зондов;

К_3i - геометрический коэффициент i-го зонда.

Недостатками известного способа-прототипа являются: наличие дополнительного требования по термостабильности электрического сопротивления корпуса скважинного прибора;

- низкий, из-за существенной величины погонного сопротивления корпуса прибора, уровень сигналов второй разности потенциала;

- последовательное во времени измерение разноглубинными зондами.

В предложенном способе решаются задачи:

- повышения точности определения истинного удельного сопротивления окружающих скважину пластов и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины за счет повышения уровня полезного сигнала второй разности потенциала и минимизации влияния изменений сопротивления питающего электрода на результат измерений;

- увеличения скорости каротажа за счет одновременного измерения всех зондов скважинного прибора.

Задача решается тем, что в способе бокового электрического зондирования согласно изобретению используют зонд, состоящий из набора многоэлектродных зондов второй разности, каждый из которых конструктивно выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов, и расположенного вне корпуса скважинного прибора и электрически изолированного от него питающего электрода, токи питания в который подают поочередно выше и ниже многоэлектродных зондов второй разности, размещенных в определенном порядке по длине питающего электрода, и при каждой из подач тока от одного и того же полюса источника измеряют потенциал электрического поля питающего электрода в точке контакта с ним среднего измерительного электрода каждой эквидистантной тройки измерительных электродов, первую разность потенциалов на участке питающего электрода между контактами двух крайних измерительных электродов каждой эквидистантной тройки измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке питающего электрода между контактами всех трех измерительных электродов каждой эквидистантной тройки измерительных электродов, а в качестве параметра электрического каротажа определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород по формуле:

$$$$ $${\rho }_{ni}=K_{3i}\cdot \left(\frac{-\Delta U_{M2iM1i}(I_B)}{I_B}+\frac{\Delta U_{M2iM1i}(I_H)}{I_H}\right)\cdot \left(\frac{U_{Ni}(I_B)+k_i\cdot U_{Ni}(I_H)}{{\Delta }^2{U}_i(I_B)+k_i\cdot {\Delta }^2{U}_i(I_{{}^H})}\right),\left(3\right)$$

где k_i - коэффициент, полученный из уравнения k_i·ΔU_M2iM1i(I_H)+ΔU_M2iM1i(I_B)=0;

i - порядковый номер эквидистантной тройки измерительных электродов i=1, …n;

U_Ni(I_B), U_Ni(I_H) - потенциалы электрического поля в точке контакта с питающим электродом среднего измерительного электрода i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

ΔU_M2iM1i(I_B), ΔU_M2iM1i(I_H) - первые разности потенциалов электрического поля на участке питающего электрода между контактами с ним двух крайних измерительных электродов i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

Δ²U_i(I_B), Δ²U_i(I_H) - вторые разности потенциалов электрического поля i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

I_В, I_Н - токи, подаваемые в питающий электрод, соответственно, выше и ниже измерительных электродов зонда;

К_3i - геометрический коэффициент i-го зонда.

Сущность изобретения

На фиг.1, 2, 3 даны виды скважинных устройств, позволяющих реализовать боковое электрическое зондирование по заявленному способу. Здесь 1 - геофизический кабель; 2 - скважинный прибор; 3 - питающий электрод; 4 - обратные токовые электроды; 5 - свечной мост; 6 - жгут с сигнальными и токовыми подводящими проводами; 7 - провод, подводящий к питающему электроду верхний ток I_В; 8 - провод, подводящий к питающему электроду нижний ток I_Н; 9 - провода, отводящие ток от обратных токовых электродов, накоротко замыкающие обратные токовые электроды; 10 - провод измерительного электрода M1₁, первой эквидистантной тройки измерительных электродов; 11 - провод измерительного электрода N₁ первой эквидистантной тройки измерительных электродов; 12 - провод измерительного электрода М2₁ первой эквидистантной тройки измерительных электродов; 13 - провод измерительного электрода М1_i i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 14 - провод измерительного электрода N_i i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 15 - провод измерительного электрода M2_i i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 16 - провод измерительного электрода М1_n n-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 17 - провод измерительного электрода N_n n-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 18 - провод измерительного электрода М2_n n-ой эквидистантной тройки измерительных электродов; 19 -кабельный наконечник.

На фиг.4 даны виды элемента питающего электрода, позволяющего реализовать азимутально ориентированное боковое электрическое зондирование по заявленному способу. Здесь 20 - часть питающего электрода с размещенными на ней датчиками вторых разностей; 21 - параллельные оси питающего электрода разрезы в нем; 22 - верхние измерительные электроды датчиков вторых разностей M1_j (j - количество секций излучающего электрода); 23 - центральные измерительные электроды датчиков вторых разностей N_j; 24 - нижние измерительные электроды датчиков вторых разностей М2_j.

Дивергентный каротаж, так же как и боковой каротаж, является каротажем проводимости [8]. Но в противоположность боковому каротажу для усиления связи между показаниями зонда и удельным сопротивлением пласта при дивергентном каротаже приспосабливается не задающая часть, а приемная часть зонда. Вместо секционирования питающего электрода для выделения доли тока питания, направляющейся в исследуемый пласт, подбирается система измерительных электродов, при которой измеряемое напряжение определяется долей тока, направляющейся из скважины в исследуемый пласт.

При дивергентном каротаже погонное сопротивление питающего электрода мало, и надо принимать специальные меры для получения достаточных величин сигналов первых и вторых разностей потенциала. При этом во избежание увеличения влияния бурового раствора на результаты измерений нежелательно уменьшение диаметра питающего электрода и уменьшение площади его проводящей поверхности.

Предлагаемое использование внешнего тонкостенного питающего электрода позволяет:

- уменьшением толщины стенки электрода, без уменьшения диаметра и площади его проводящей поверхности, увеличивать измеряемые величины сигналов первых и вторых разностей потенциала;

- в одном комплекте прибора БЭЗ для различных скважинных условий иметь набор питающих электродов различных диаметров;

- использовать при изготовлении питающего и обратных токовых электродов немагнитные материалы для специальных применений (например, для комплексной аппаратуры, включающей инклинометр).

В предлагаемом способе бокового электрического зондирования для достижения максимального эффекта предлагается сочетать методы и приемы, используемые в боковом и дивергентном каротажах: для усиления связи между показаниями зонда и удельным сопротивлением пласта приспосабливать для решения конкретной измерительной задачи и задающую и приемную части зонда.

Получение способом БЭЗ информации об изменении удельного электрического сопротивления пластов горных пород в радиальном направлении относительно оси скважины зависит:

- от возбуждения среды токовыми электродами тех или иных размеров и их взаимного расположения (например, обратный токовый электрод может находиться на значительном удалении, в том числе и на поверхности; два обратных токовых электрода, электрически коротко замкнутые, могут симметрично располагаться по бокам от питающего электрода или обратный токовый электрод может быть расположен с одной стороны от питающего электрода);

- от размещения вдоль оси питающего электрода, необходимого для выполнения задачи исследования количества датчиков второй разности потенциала (эквидистантных троек измерительных электродов).

Конкретные параметры аппаратуры БЭЗ (размеры и взаимное расположение токовых электродов, количество и размещение датчиков второй разности потенциала) рассчитываются при проектировании аппаратуры для тех или иных измерительных задач по известным алгоритмам [9, 10] решения прямой осесимметричной задачи электрического каротажа.

Кроме того, фокусировка тока в районе измерительных электродов осуществляется как за счет сильного преломления токовых линий при стекании тока с питающего электрода, так и за счет искусственного создания условия отсутствия осевой составляющей тока, что позволяет при наличии в районе измерительных электродов параллельных оси питающего электрода разрезов в нем выполнять измерения утечек токов в горные породы секционно и, регистрируя ориентацию секций в пространстве, осуществлять азимутально ориентированное БЭЗ (фиг.4), при этом удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород для каждой секции определяют по формуле:

$${\rho }_{nij}=K_{3i}\cdot \left(\frac{-\Delta U_{M2ijM1ij}(I_B)}{I_B}+\frac{\Delta U_{M2ijM1ij}(I_H)}{I_H}\right)\cdot \left(\frac{U_{Nij}(I_B)+k_{ij}\cdot U_{Nij}(I_H)}{{\Delta }^2{U}_{ij}(I_B)+k_{ij}\cdot {\Delta }^2{U}_{ij}(I_{{}^H})}\right),\left(4\right)$$

где k_ij - коэффициент, полученный из уравнения k_ij·ΔU_M2ijM1ij(I_H)+ΔU_M2ijM1ij(I_B)=0;

i - порядковый номер эквидистантной тройки измерительных электродов i=1, 2…n;

j - порядковый номер секции излучающего электрода j=1, 2…m;

U_Nij(I_B), U_Nij(I_H) - потенциалы электрического поля в точке контакта с питающим электродом среднего измерительного электрода i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов j-ой секции питающего электрода, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

ΔU_M2ijM1ij(I_B), ΔU_M2ijM1ij(I_H) - первые разности потенциалов электрического поля на участке питающего электрода между контактами с ним двух крайних измерительных электродов i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов j-ой секции питающего электрода, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

Δ²U_ij(I_B), Δ²U_ij(I_H) - вторые разности потенциалов электрического поля i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов j-ой секции питающего электрода, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;

I_В, I_Н - токи, подаваемые в питающий электрод, соответственно, выше и ниже измерительных электродов зонда;

К_3i - геометрический коэффициент i-го зонда.

Стоит отметить, что по сравнению с прототипом [7], предлагаемый способ позволяет:

- существенно упростить конструкцию прибора и повысить возможности изучения свойств пройденных скважиной пластов-коллекторов;

- отказаться от определения заранее погонных электрических сопротивлений участков питающего электрода между крайними измерительными электродами измерительных датчиков второй разности потенциала с последующим введением поправок (например, за температуру), а, используя принцип поэлементной регистрации, определять их в процессе измерения параметров электрического поля по формуле

$$R_{M2iM1i}=\frac{-\Delta U_{M2iM1i}(I_B)}{I_B}+\frac{\Delta U_{M2iM1i}(I_H)}{I_H};\left(5\right)$$

- осуществлять дополнительную фокусировку тока в районе измерительных электродов за счет искусственного создания условия отсутствия осевой составляющей тока решением уравнения

$${\text{k}}_{\text{i}}\cdot \Delta {\text{U}}_{\text{M2iM1i}}{\text{(I}}_{\text{H}}\text{)}+\Delta {\text{U}}_{\text{M2iM1i}}{\text{(I}}_{\text{B}}\text{)}=\text{0;}\text{ (6)}$$

- расширить круг измерительных задач БЭЗ, дополнив его задачами каротажа в процессе бурения и геонавигации.

Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважин позволяет более качественно определять параметры пластов-коллекторов при всем разнообразии измерительных задач, что существенно повысит точность оценки запасов углеводородов на вновь открываемых месторождениях.

Библиография

1. Итенберг С.С. Геофизические исследования в скважинах / С.С.Итенберг, Т.Д.Дахкильгов. - М.: Недра, 1982. стр.108, 131, 132.

2. Пат. 2402047 Российская Федерация, МПК G01V 3/20. Способ измерения при боковом каротаже скважин / Королев В.А., Сугак В.М. (РФ) - №2009133770/28; заявл. 08.09.2009; опубл. 20.10.2010.

3. Пат. 2421759 Российская Федерация, МПК G01V 3/24. Способ бокового каротажа и устройство для его осуществления / Королев В.А., Сугак В.М. (РФ) - №2009135358/28; заявл. 22.09.2009; опубл. 20.06.2011.

4. Пат. 2368779 Российская Федерация, МПК G01V 3/18. Устройство для электрического каротажа в процессе бурения / Белоконь Д.В., Вершинин А.В., Королев А.Б., Пантюхин В.А., Руднев О.В., Рудяк Б.В., Хаматдинов В.Р., Хаматдинов Р.Т., Шеин Ю.Л. (РФ) - №2008112540/03; заявл. 03.04.2008; опубл. 27.09.2009.

5. Пат. 2401944 Российская Федерация, МПК E21B 47/12. Комплексная геофизическая аппаратура на бурильных трубах (варианты) / Королев В.А., Сугак В.М. (РФ) - №2009140855/03; заявл. 03.11.2009; опубл. 20.10.2010.

6. Дахнов В.П. Промысловая геофизика / В.П.Дахнов. - М.: Гостоптехиздат, 1959, стр.408-410.

7. Пат. 2190243 Российская Федерация, МПК G01V 3/18. Способ бокового электрического зондирования / Кашик А.С., Рыхлинский Н.И., Кривоносов Р.И. (РФ) - №2001124394/28; заявл. 04.09.2001; опубл. 27.09.2002.

8. Альпин Л.М. Дивергентный каротаж / Л.М.Альпин // Прикладная геофизика - М.: Гостоптехиздат. 1969. Вып.32, с.192-212.

9. Метод решения прямых задач электрокаротажа и электроразведки на постоянном токе / В.Л.Друскин, Л.А.Книжнерман // Изв. АН СССР, сер. "Физика Земли" - 1987. - №4. - с.63-71.

10. Быстрый вариант метода частичных областей для решения задач дифракции электромагнитного поля / В.Л.Друскин, Т.Тамарченко // Математическое моделирование. - 1989. - №4. - с.140. - 149.

Изобретение относится к геофизике и может найти применение при определении электрического сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины. Сущность: в способе используют зонд, состоящий из набора многоэлектродных зондов второй разности, каждый из которых конструктивно выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов, и расположенного вне корпуса скважинного прибора и электрически изолированного от него питающего электрода. Токи питания в питающий электрод подают поочередно выше и ниже многоэлектродных зондов второй разности, размещенных по длине излучающего электрода. При каждой из подач тока от одного и того же полюса источника измеряют потенциал электрического поля питающего электрода в точке контакта с ним среднего измерительного электрода каждой тройки измерительных электродов, первую разность потенциалов на участке питающего электрода между контактами двух крайних измерительных электродов каждой тройки измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке питающего электрода между контактами всех трех измерительных электродов каждой тройки измерительных электродов. Удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород определяют по соответствующим формулам. Технический результат: повышение точности определения истинного удельного сопротивления окружающих скважину пластов и его изменения в радиальном направлении за счет повышения уровня полезного сигнала второй разности потенциала и минимизации влияния изменений сопротивления питающего электрода на результат измерений, увеличение скорости каротажа за счет одновременного измерения всех зондов скважинного прибора. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ бокового электрического зондирования, использующий зонд, состоящий из набора многоэлектродных зондов второй разности, каждый из которых конструктивно выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов, и расположенного вне корпуса скважинного прибора и электрически изолированного от него питающего электрода, токи питания в который подают поочередно выше и ниже многоэлектродных зондов второй разности, размещенных в определенном порядке по длине излучающего электрода, и при каждой из подач тока от одного и того же полюса источника измеряют потенциал электрического поля питающего электрода в точке контакта с ним среднего измерительного электрода каждой эквидистантной тройки измерительных электродов, первую разность потенциалов на участке питающего электрода между контактами двух крайних измерительных электродов каждой эквидистантной тройки измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке питающего электрода между контактами всех трех измерительных электродов каждой эквидистантной тройки измерительных электродов, а в качестве параметра электрического каротажа определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород по формуле:
$${\rho }_{ni}=K_{3i}\cdot \left(\frac{-\Delta U_{M2iM1i}(I_B)}{I_B}+\frac{\Delta U_{M2iM1i}(I_H)}{I_H}\right)\cdot \left(\frac{U_{Ni}(I_B)+k_i\cdot U_{Ni}(I_H)}{{\Delta }^2{U}_i(I_B)+k_i\cdot {\Delta }^2{U}_i(I_{{}^H})}\right)$$ ,
где k_i - коэффициент, полученный из уравнения k_i·ΔU_M2IM1i(I_H)+ΔU_M2iM1i(I_B)=0;
i - порядковый номер эквидистантной тройки измерительных электродов i=1, 2…n;
U_Ni(I_В), U_Ni(I_H) - потенциалы электрического поля в точке контакта с питающим электродом среднего измерительного электрода i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;
ΔU_M2iM1i(I_В), ΔU_M2iM1i(IН) - первые разности потенциалов электрического поля на участке питающего электрода между контактами с ним двух крайних измерительных электродов i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;
Δ²U_i(I_B), Δ²U_i(I_H) - вторые разности потенциалов электрического поля i-ой эквидистантной тройки измерительных электродов, соответственно, при подаче токов выше и ниже измерительных электродов;
I_В, I_Н - токи, подаваемые в питающий электрод, соответственно, выше и ниже измерительных электродов зонда;
К_3i - геометрический коэффициент i-го зонда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обратный токовый электрод находится на значительном удалении, в том числе, на поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что два обратных токовых электрода, электрически коротко замкнутые, симметрично располагаются по бокам от питающего электрода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обратный токовый электрод расположен с одной стороны от питающего электрода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в районе измерительных электродов в питающем электроде выполнены параллельные его оси разрезы, и измерения утечек токов в горные породы выполняются посекционно, с регистрацией ориентации секций в пространстве, а в качестве параметров электрического каротажа определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород для каждой секции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды зонда размещаются на буровом инструменте или буровой трубе внизу буровой колонны.