Способ определения структуры горных пород,пересеченных скважиной Советский патент 1984 года по МПК G01V3/30 

Изобретение относится к промысловой геофизике,более конкретно к методам определения структуры горных пород, слагающих разрезы скважин, и мо жет использоваться для выявления зон трещиноватости, карстовых пустот и других неоднородностей в разрезах нефтяных, газовых, гидрогеологических и прочих скважин, бурящихся с це лью разведки и добычи полезных ископаемых. Известен способ определения струк туры горных пород, пересеченных сква жиной, заключающийся в отборе керна из определенных интервалов разреза (Скважин и последующем изучении его микроструктуры невооруженным глазом, а также изучении микроструктуры путе изготовления из керна больших шлифов и их исследования. При сплошном отборе образцов пород по всему . разрезу скважин можно получить сведе ния о характере проходимых пород и последовательности их залегания СП . Однако при современном развитии техники бурения сплошной отбор образ цов пород является экономически нецелесообразным и применяется лишь в исключительных случаях для скважин специального назначения. В эксплуатационных нефтяных и газовых скважинах керн как правило не отбирается. Лишь примерно в 10% скважин от общег фонда скважин этой категории проходку интервалов залегания нефтяных или Глазовых пластов производят колонковы ми долотами для получения дополнительных сведений о коллекторских свойствах продуктивных пород. Известен также способ определения структуры горных пород,по которому в скважине возбуждают импульсное акустическое поле с заданным порядком осевой симметрии, вращают его вокруг оси скважины, причем частоту вращения выбирают не менее, чем в дв раза больше граничной частоты f в частотном спектре каротажной кривой 3-4 Гц скорости перемещения по оси скважины 15 м/ч), перемещают по ле по стволу скважины, измеряют и регистрируют параметры отраженного от стенок скважины акустического поля, характеризуюцдае структуру поверх ности скважин Ь1.Этот способ позволяет определять.структуру поверхности сте нок скважины (трещины,нарушения колонны, перфорационные отверстия С21 Данный способ характеризуется малой разрешающей способностью (около 2 мм при благоприятных условиях), раскрытость же трещин вгорных породах измеряется единицс1ми, десятками микрон. Вероятность наличия в горных породах трещины с раскрытостью 2 мм очень низка. Кроме того, способ позволяет получать информацию о структуре поверхности стенок скважины, а не объема горных пород, прилегающих т скважине, структура же поверхности скважины в открытом стволе в сильной степени определяется .процессом бурения (искусственная, трещиноватость, желобы и т.д.) Недостатками способа являются так;хе низкая производительность способа (удовлетворительная разрешающая способность достигается при скоростях перемещения поля 15 м/ч, при больших скоростях она резко падает) зависимость разрешающей способности от удельного веса глинистого раствору, заполняющего скважину, наличия в нем газовых пузырьков и утяжелителей. Наиболее близким по технической сущности к .предлагаемому является способ определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающийся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг оси скважины,причем частоту вращения f выбирают не менее чем в два раза больше верхней граничной частоты f в частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород. Этот способ позволяет выявлять породы, обладающие анизотропной структурой (трещиноватостью, сланцеватостью и т.д.) СЗТ . Однако этот способ характеризуется невозможностью выделения в структуре горных пород нескольких систем, трещин или каверн и изменения их перпендикулярно -оси скважины. Для получения всей необходимой информации необходимо производить несколько спуско-подъемных операций, чтобы произвести измерения на разных частотах. Целью изобретения является поиышение производительности труда. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающемуся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси сквах ины, вращении электромагнитного поля вокруг оси скважины, причем частоту вращения 7 выбирают не менее чем в два аза больше верхней граничной частоты Р в частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород выделяют из частотного спектра элек ромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до F , и составляющие спектра электромагни ного поля с частотами г , где п 1, 2, 3,..., по амплитуде составл щих спектра с частотами от нуля до F судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу скважины, а по наличию составляющих спектра с частотами nf и их амплитудам судят о структуре горных пород и степени их неоднород ности. Наиболее резко реагирует на изменение структуры породы их электрическое удельное сопротивление, по этому применение электромагнитных полей различных частот более благоприятно. Как известно, удельное электриче кое сопротивление пород обусловлено наличием в них пор, трещин и других структурных неоднородностей в которых содержится пластовая вода В зависимости от характера распределения в породе ndp и трещин сопро тивление ее в различных направления может быть неодинаковым. На этой ос бенности удельного электрического сопротивления пород основано изуче ние их структуры предлагаемым спойобом. При изменении ориентации токовых линий поля относительно (структурны неоднородностей изменяется и измеря мая характеристика поля, несущая и формацию об удельном электрическом сопротивлении пород. Наиболее часто встречающимися в горных породах неоднородностями являются кавернозность и трещиноватость. Установлено, что в горных породах в общем случае возникает группа из двух сопряженных систем трещин, пересекающих в плане под прямым или близким к нему углом. Подавляющее большинство трещин пересекает.под крутыми углами плоскость напластования, образуя с ней двугранный угол, близкий к прямому Возможно также существование одной системы параллельных вертикальных трещин. Эти закономерности развития трещ новатости позволяют использовать дл определения структуры горных пород вращающиеся электромагнитные поля с осевой симметрией малых порядков порядок симметрии не более двух). На фиг.1 и 2 представлены картины токовых линий поля с осевой симметрией 2-го порядка и осевой симметрией 1-го порядка соответственн на фиг.З - зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пластах горных пород с неоднородной структурой на фиг. 4 - сумма сосЭ тавляющих спектра частот кривой на фиг.З с. частотами от нуля до -F V на фиг.5 - составляющие спектра с частотами ni , на фиг.б и 7 - изменения во времени измеряемой характеристики поля в случае применения поля, обладающего севой симметрией 1-го порядка, для однородного пласта на фиг.8 и 9 - то же, для пласта с карстовой пустотой на фиг.10 и 11 - то же, для пласта, рассеченного системой параллельных трещин, перпендикулярных плоскости напластования} на фиг.12 и 13 то же, для пласта, рассеченного двумя системами взаимно перпендикулярных трещин; на фиг.14 - структурная схема одного из вариантов аппаратуры, реализующей предлагаемый способ. На фиг.1 и 2 обозначены: 1 - токовые линии ПОЛЯ, 2 - сечение скважикы плоскостью, перпендикулярной ее оси; 3 - продольная ось скважины. Поле с осевой симметрией 2-го порядка может быть создано магнитным диполем, ось которого перпендикулярна оси скважины. Поле с осевой симметрией 1-го порядка может быть получено созданием фокусированного пучка тока, истекающего с части поверхности центрального электрода зонда трехэлектродного бокового каротажа. При вращении таких полей в плоскости, перпендикулярной оси скважины, и при наличии в пласте структурных неоднородностей измеряемая характеристика поля, характеризующая удельное электрическое сопротивление пород (ЭДС вторичного магнитного поля, отношение амплитуд в точках измерения, разность потенциалов, ток центрального электрода и т.д.), является периодической функцией времени, причем частота изменения этой характеристики зависит от характера структурной неоднородности. Так как при исследовании скважин необходимо иметь сведения не только о структуре пород, но и о распределении удельного электрического сопротивления пород по глубине сквс1жины, То электромагнитное поле, необходимо перемещать по оси скважины. При этом измеряемая характеристика поля изменяется также в зависимости от распределения удельных элект. ических сопротивлений по глубине скважины. Вид зависимости изменения измеряемой характеристики поля в этом случае приведен на фиг.3-5. На фиг.3-5 обозначены: 4 - ось измеряемой характеристики поля, 5 ось времени, б - зависимость измеряемой характеристики поля в пластах с неоднородной структурой, 7 - зависимость суммы составляющих спектра частот кривой 6. с частотами от нул до от времени, 8 - зависимость составляющих спектра с частотами m Так как каротажные кривые, т.е. зависимости измеряемых параметров от глубины скважины, являются функ ями, ограниченными по частоте, то частотный спектр кривой 6 будет со тоять из двух областей частот: пер вая область, обусловленная зависим тью измеряемой характеристики поля от глубины скважины, включает част ты от нуля до верхней граничной ча тоты Р при скоростях каротажа до 2500 м/ч, не превышающей 3 Гц, вто рая область частот, обусловленная наличием в породе структурных неод нородностей, содержит частоты, кр ные частоте вращения поля. Для надежного разделения этих областей частот необходимо, чтобы частота вращения поля I была по крайней мере в два раза больше граничной частоты F каротажной кривой. Таки образом, вторая область частот (в висимости от характера структурных неоднородностей) может включать частоты б, 12, 18, 24,... Гц. На фиг.4 приведены составляющие каротажной кривой 6, кривая 7 с частотами F , кривая 8 с частотой Vi где ,2,3,... На фиг.7, , 11 и 13 представлены изменения во времени измеряемой характеристики поля, характеризующей удельное электрическое сопротивление пород в случае испол зования поля, обладающего осевой си Е етрией 1-го порядка,для одноро ного пласта и для пластов с различ типами структурных неоднородностей . На фиг.6-13 изображены: 9 - горная порода, 10 - зависимость измеря емой характеристики поля от времени в однородном пласте; 11 - направление вращения электромагнитного поля; 12 - карстовая пустота, 13 - зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с неоднородностью в виде карстовой пустоты, 14 - трещинаJ 15 - зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с одной систе 4ой вертикальных трещин/ 16 зависимость измеряемой характеристи ки поля от времени в пласте с двумя системг1ми взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, Т - время, соответствующее одному обороту поля вокруг оси скважины. Принято для Иллюстрируемых фигур что электромагнитное поле по оси скважины не перемещается. Однородный пласт характеризуется постоянным во времени значением измеряемой характеристики поля, т.ег. не зависящей от, угла поворота токовых линий поля. При наличии в породе карстовой пустотности 12 (фиг.8) характеристика поля будет изменяться с частотой, равной частоте вращения поля, и будет иметь вид кривой 13 (фиг.9). При наличии в породе одной системы вертикальных трещин 14 (фиг.Ю) измеряемая характеристика поля будет изменяться с частотой, равной удвоенной частоте вращения , поля и будет иметь вид кривой 15, Если в породе присутствует . две системы взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, то частота изменения характеристики поля будет происходить с частотой, равной 4f что соответ ствует кривой 16 (фиг. 131. Таким образом, по наличию в спектре частот каротс1жной кривой составляющих с частотами, кратными частоте вращения поля, можно судить о структуре горных пород, пересеченных скважиной: однородный пласт характеризуется постоянным во времени значением измеряемой характеристики, т.е. отсутствием в частотном спектре составляющих с частотами nf) карстовая пустота (каверна) характеризуется наличием в частотном спектре измеряемой характеристики составляющей, равной частоте вращения поля f ; наличие в горных породах одной : системы вертикальных трещин определяется по наличию в спектре характеристики поля составляющей с частотой 2f ,; наличие в горных породах двух взаимно перпендикулярных систем вертикальных трещин определяется по наличию в спектре .характеристики поля .составляющей с частотой 4-f . Амплитуда составляющих с частотами nf характеризует степень неоднородности каждого из видов структурных нарушений, Структурная схема аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, содержит скважинный прибор 17 бокового трехэлектродного каротажа измерительный преобразователь 18/ фильтр 19 нижних частот (ФНЧ), полосовые фильтры 20i , 203, ... , 20п, регистрирую1дие устройства 21, , 212,, , 21 п, элемент 22 повер хности центрального электрода. Аппаратура состоит из скважинного прибора 17, представляющего собой прибор трехэлектродного бокового каротажа, на поверхности центрального электрода которого элемент 22 поверхности, изолированный от остальной части электрода. С поверхности элемента 22 центрального электрода истекает фокусированный пучек тока, которого указана на фиг. 2.

Элемент 22 поверхности вращается вокруг оси прибора механическим или электронным путем. Измеряе1иыми характеристиками поля являются ток CJe протекающий через элемент 22,и потендиал UQ этого участка относительно удаленной точки. Информация о тсже 3 и потенциале Оо передается в измерительный преобразователь 18 где они преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное измеряемому удельному электрическому сопротивлению пород. С выхода преобразователя 18 напряжение подается на ФНЧ 19. и полосовые фильтры 20 / ..., 20п. ФНЧ 19 выделяет из частотного спектра выходного сигнала измерительного преобразователя область частот от йУля до F , т.е. до 3 Гц. Сигнал с такими частотами характеризует изменение удельного сопротивления по глубине скважины и регистрируется регистрирующим устройством 21;, , в виде диаграммы средних удель.ных сопротивлений в функции глубиlaj скважины.

Полосовые фильтры 20д , ... , 20п выделяют соответственно сигналы с частотами f , 2f , 3f ,...,n$. Практически достаточно ограничиться пять полосовыми фильтрами. Скгнапл с выходов фильтров 20 f..г 20п регистрируются регистрирующими устройствгиш л 21,...,21 . По наличию сигналов на выходе того или иного фильтра судят о характере структурной неод:нородности, а по их амплнтудгш о степени неоднородности

В процессе исследований скважинный прибор це.итрируется таким образом, что ось вргицения электрсмагнитного поля совпадает с осью скважины.

Предлагаеье способ в отличие от известного обладает высокой экономичностью и высокой производительностью исследований, кроме того, позволяет получать сведения.ие только о структуре пород в каждой точке глубины скважины, ио и о распределении удельных сопротивлений по глубине квгикины.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД, ПЕРЕСЕЧЕННЫХ СКВАЖИНОЙ, заключающийся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг скважины, причем частоту вращения выбирают не менее чем.в два раза больше верхней граничной частоты f в частотнотл спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении ха,рактеристики электромаг.штного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород, отличающийся тем, что, с целью пбвышейия прои;зводительности труда, выделяют из частотного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до fi и составляющие спектра электромагнитного сигнала с частотам |П, где П 1,2,3,..., по ампли- S туде составляющих спектра с частотами от нуля до судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу, скважины, а по наличию составляющих спектра с частос тами и их амплитудам судят о структуре горных пород и степени их неоднородности. О5 -Ki 4 ел 00

5

..-ДитурГг-. : :.:..

:;:; /ГИ А:: .;,ч1/.л:

..V;-

fc- ч..-

«г.- .,,«;-.« ,, -«

« . 1 4 «

«. .. .. г И

/Z.5

S

Я

X

-м

А/1.7

«

Т7Г

Фи1.9

yvw{

ФигЮ

Фиг.11

т/ШАА

Тж. Фиг.

18

С

f7 .22

2Вп

202

20i

21,

%

21i

игЯ