Способ выделения геологических неоднородностей,пересеченных буровой скважиной

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИН

09) (11) 3(59 G 01 и 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / ".

ГОСУДАРСТВЕННЬ1Й КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3437339/18-25 (22 ) 30.04.82 ..(46) 23.11.83. Бюл. )) 43 . (72) В.П.Ткачук и П.В.Ткачук (71) Восточно-Сибирский научноисследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья (53) 550. 837(088.. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 97337» кл. G 01 Ч 3/06, 1951.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 290256, кл. G 01,V 03/04, 1969

З.Патент США ))2708267,кл.3241опуб лик. 1962.

4. Патент США )) 4041372, кл. 324-9, опублик. 1980.

5. Dubus i Pund."Detect on des

cobites souterrainer per une methode electromagnetiga) entге surtace

et рогаде". nBul 1. Int. Assoc. Eng, Gol", 1977, Р 15, 44-49 (прототип 1, (5@ (573 СПОСОБ ВЬЩЕЛЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ, ПЕРЕСЕЧЕННЬ))(БУРОВОЙ СКВАЖИНОЙ, в котором создают в зоне разведки гармоническое элект-. ромагнитное поле горизонтальным влек трическим диполем, питае) ым тс)ком инфранизких частот, который перемещают по дневной поверхности по радиальным профилям, расходящимся от ус". тья скважины, вскрывшей залежь, измеряют вертикальную компоненту электромагнитного поля по оси скважины, отличающийся тем, что, с целью .увеличения глубины и радиуса исследования, повышения точности работ, одновременно измеряют на оси скважины для каждой стоянки питающего диполя два вертикальных градиента компоненты поля двумя измерительными I диполями, один из которых распола гают над залежью, другой — под ней, а мерой неоднородности разреза служит отношение градиентов, измеренное этими Дйполями, по результатам измерения которых и производят выделение Б неоднородностей.

1055987

Изобретение относится к геоэлектро" разведке с использованием скважин и служит для оконтуривания нефтяных и газовых залежей или других геологических неоднорочностей, отличающихся по электрическим свойствам от 5 вмещающих йх горных пород.

Известен способ электрической разведки постоянным током заключающийся в том, что, если в необсаженную скважину, вскрывающую залежь,опускают под газонефтяной пласт электрод, а другой обратный токовый электрод заземляют на поверхности, удаляя его в ".бесконечность", и пропускают в питающую линию ток, то вокруг залежи возникает электрическое поле.

Поскольку залежь является плохо проводящим телом, ток обтекает ее, точнее экранируется ею, и над залежью плотность тока понижена. На границе залежи, где явление экранирования исчезает, плотность тока несколько возрастает. Последовательно выполняя на поверхности по профилям, проходя,щим через устье скважин, обычные измерения потенциалов, определяют зону. повышенных значений тока, которая и будет соответствовать к онтуру плохо проводящей залежи или другой геологической неоднородности Г1 1.

Однако указанный способ не нашел 30 проьжшленного применения, так как осуществляется на постоянном токе и по этой причине обладает низкими разрешающей способностью, чувствительностью, помехозащищенностью и, З5 как следствие, малым радиусом опоискования и малой глубиной исследования. Проведение работ иэ-за отнесения обратных электродов (токового и измерительного в "бесконечность" сопряжено со значительными труднос40 тями и при больших глубинах (более

300 м )практически неосуществимо.

Известен также способ выделения геологических неоднородностей, пересеченных буровой скважиной, сущ- 45 ность которого заключается в том, .что один питающий электрод заэемляют в скважину ниже продуктивного пласта, не вскрытого скважиной, а другой — у ее устья, после проведе- . 50 ния предварительных измерений и установления наличия залежи токовой электрод, ранее заземленный у устья скважины, перемещают в область ее о предполагаемого местонахождения и проводят измерения, а по характеру проявления экранирующего эффекта на графиках кажущегося сопротивления производят оконтуривания границ месторождения 2 3.

Этот способ также не нашел промышленного применения вследствие низкой разрешающей способности, слабой помехозащищенности и влияния толщи горных пород, лежащих выше залежи. 65

Известен способ электроразведки с применением скважин, для осуществления которого используется переменный электрический ток прямоуголь ной формы с частотой менее 10 Гц (отдается предпочтение частоте 1 Гф возбуждающий электромагнитное поле вокруг исследуемой скважины посредством пары питающих электродов, причем один иэ них помещается в необсаженную скважину и перемещается по ней на различные глубины,а другой эаземляется вблизи ее устья на расстояние около 30 м. Измерительные электроды, четыре пары которых равномерно размещают вокруг скважины, вдоль ортогональных линий, расходящихся от скважины по радиусам так, чтобы электроды каждой пары находились на одинаковом расстоянии друг от друга в каждой паре и на равном расстоянии от скважины в пределах 300-1500 м. Измеряют дифференциальное напряжение между каждой диаметрально, противоположной парой измерительных электродов и, таким образом, получают диаграмму. изменения напряжения с глубиной для каждой из сдвоенных пар, по которой и судят о наличии аномалий, обладающих отличающимися электрическими параметрами от вмещающей их среды ГЗ 3.

Однако описанный способ обладает рядом существенных недостатков, or раничивающих его глубинность и раФдиус опоискования, так как, использование частот в 1 Гц и выше даже при прочих благоприятных услрвиях не позволяет получить приемлемые результаты при глубинах или при удалении от скважины на о,1-1 км, посйольку начинает сказываться скинэффект, который проявляется тем сильнее, чем выше проводимость среды и частота возбуждения поля. В, результате применения тока прямоугольной формы, способ и устройство для осуществления измерения по этому способу имеют плохую помехозащищенность и избирательность. При определенных условиях, даже при значительных аномалиях, указанный способ не в состоянии их обнаружить. Так, если край залежи или тела расположен на равноудаленных диаметрально противоположных расстояниях от центра скважины, то он не выделяется. Способ дает ложные аномалии в однородной среде в случае отклонения скважины от вертикали либо при нестабильности тока возбуждающего поля.

Известен способ электроразведки для измерения эффектов вызванной по-. ляризации (ВП ) при поисках и разведке рудных месторождений, преследующий цель — уменьшение искажающегб влияния помех и повышение производительности труда. Ходификация способа ВП ос

1055987

65 нована на проведении одновременных измерений ВП в нескольких точках исследуемой площади, для чего используются дипольные осевые уcTGHoBRH с равными размерами питающего и приемного диполей. При одном положении питающего диполя выполняется одновременное из- мерение ВП нескольких приемных дипо-. лей, расположенных последовательно друг за другом по одному профилю.

Измерения производятся как во времен- !О ной, так и в частотной области. Для возбуждения. электромагнитного поля ,в зоне разведки используется источник тока прямоугольной формы с им пульсной модуляцией в диапазоне час- )5 тот 0,005-0,5 Гц. Измеряются величины удельного сопротивлеция, час- тотно-поляризующего эффекта, металлфактора и другие параметры Г4 1.

Однако этот способ применяется промышленностью исключительно для поисков и разведки только рудных месторождений (сульфидных тел или тел, обладающих достаточно высокой проводимостью и поляризацией ), имеет малую глубинность (первые сотни метров ) и вследствие этого не может быть применен для Оконтуривания нефтяных или газовых месторождений, которые, как правило, залегают на значительных глубинах (до 2-3 км и бо- 30 лее ) при этом контур залежи может находиться от устья вскрывшей ее скважины на 10-12 км и более.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является 35 способ выделения геологических неоднородностей, пересеченных буровой скважиной, в котором создают в зоне разведки гармоническое электромагнитное поле горизонтальным электрическим диполем, питаемым током инфранизких частот, который помещают по дневной поверхности по радиальным профилям, расходящимся от устья скважины, и измеряют вертикальную компоненту электромагнитного поля 45 до оси скважины (5 1.

Способ также обладает недостаточной разрешающей способностью, а результаты в значительной мере зависят от многих факторов, учесть которые 50 практически невозможно., и поэтому промьааленностью не применяется. Наибольший аномальный эффект и повышение разрешающей способности достига- . ется применением диполь-дипольных наземно-скважинных установок. Это приводит к требованию измерения весьма малых сигналов, причем на фоне значительных помех, превышающих измеряемые сигналы, как правило, в несколько десятков раз. В связи с 60 этим предъявляются повышенные требования к стабильности тока питания токового заземления, учет изменения которого не обеспечивают известные способы измерения и известные устройства. При проведении электроразведочных работ с использованием скважин токи литания токового заземления достигают десятков ампер при очень большой плотности тока через единицу поверхности питающих электродов, что приводит к большой его нестабильности за счет изменения контактного сопротивления, что в свою очередь приводит к фиксации ложных аномалий.

Целью изобретения является увеличение глубины и радиуса исследования, повышейие точиости измерения.

Цель достигается тем, что согласно способу выделения геологических неоднородностей, пересеченных буровой скважиной, путем издания в зоне развецки гармонического электромагнитного поля горизонтальным электрическим диполем, питаемым током инфранизких частот, который,перемещают по дневной поверхности по радиальным профилям, расходящимся от устья скважины, вскрывшей залежь, и измеряют вертикальную компоненту электромагнитного поля на оси скважины, дополнительно одновременно измеряют на оси скважины для каждой стоянки питающего диполя два вертикальных градиента компоненты поля двумя измерительными диполями, один из которых располагают над залежью, другой — по .ней, а мерой неоднородности разреза служит отношение градиентов, измеренное этими диполями, по результатам измерения которых и производят выделение неоднородностей.

Питающий диполь последовательно перемещают на дневной поверхности по радиальным профилям, расходящимся от устья скважины, вскрывшей залежь.

Для каждой стоянки питающего диполя производят одновременные измерения на оси скважины двух вертикальных градиентов активной компоненты электромагнитного поля. над залежью, контуры которой необходимо определить и под ней. Для этого в исследуемую скважину опускают зонд, состоящий из двух измерительных вертикальных электрических диполей. Мерой неоднородности разреза, дающей возможность обнчружить край искомого объекта, служит отношение разности потенциалов этих диполей, которую усиливают, фильтруют, пропускают на измерения с частотой не более +5% от частоты тока возбуждающего поля. Для улучшения избирательности и подавления помех сигнал перед измерением подвергают синхронно-фазовому выпрямлению, накапливают во времени не менее 200 периодов частоты, возбуждающей поле, и затем регистрируют в цифровой или аналоговой форме. Для отделения сигнала от помехи используют любое различие между ними.oB .

1055987 данном случае используют различие по частоте и начальной фазе. Поскольку все образцы сигнала одинаковы, то накапливают определенное количество информации за какое-то время

О раз, s результате чего происходит арифметчиеское сложение, т.е. а, где, п = коэффициент. Напряжение по-, мехи при повторениях сигналов может иметь различные значения и знаки, при таком алгебраическом сложении накопление значений помехи происходит медленней, чем накопление сиг.нала. При досгаточно большом числе повторений отношение напряжений накопленных сигналов и помехи теоретически может достигать сколь угодно больших значений. Необходимо накопить 180 периодов. Сигнал, измеренный над залежью принимают за эталонный, т.е.- сигнал поля при отсутствии возмущающего объекта, а сигнал, зафиксированный под залежью и, следовательно, искаженный аномальным объектом (в данном случае залежью )— эа наблюденный. Таким образом, производят сравнение наблюденного поля с нормальным, за которое принимается поле, измеренное вертикаль- ным погруженным электрическим диполем, размещенным над залежью, такая схема измерения позволяет исключить влияние нестабильности электромагнитного поля, исключить влияние неоднородностей, расположенных выше искомого объекта и выделить "чистый" аномальный эффект, На фиг. 1 представлена схема осуществления способа; на фиг. 2 и 3графики отношения разностей потенциалов - -„, отнесенные к глубине

BV измерения проведены в однородной среде ; на фиг. 3 — то же, в присутствии залежи.

На фиг. 1 приведены скважина 1, приемные измерительные диполи 2 и 3> скважинный прибор 4, кабель 5, лебедка б, наэе>лный пульт 7 управле ния скважинным снарядом и обработки измеряемых сигналов, автономный ге- нератор-возбудитель 8 электромагнитного поля, токовые электроды 9 пита- ющего диполя, токовые линии 10, исследуемая неоднородность 11 (нефтяная или газовая залежь ).

Принцип измерения отношения вертикальных градиентов потенциалов электромагнитного поля, созданного горизонтально заземленным электри.ческим диполеМ; заключается в следующем. Если на поверхности однородного по удельному электрическому сопротивлению полупространства заземлить электрический диполь 9 длиной g Х и питать его гармоническим токовал силой 3, то он создает в земле с моментом Р = 3DK как вихревое, так и потенциальное электрическое поле, а также вихревое магнитное поле Пробурив в этом полупространстве скважину 1 и изменяя на ее оси два вертикальных градиента.потенциала этого поля установками 2 и 3, близкими по размеру (отличающимися друг от друга не более 10% ), или корректируя разницу в коэффициентах .О установок коэффициентом усиления каналов, измеряющих эти величины, будем истлеть одинаковые значения поля (или очень близкие по величине).

Разница этих значений поля равна нулю, а их отношение - единице (фиг. 2 ). Если же между вертикальными измерительными диполями будет находиться неоднородность, отличающаяся удельным сопротивлением от вмещающих ее пород, либо диполи бу20 дут расположены в средах с различными удельными сопротивлениями, то значения поля будут отличны от эталонных тем больше, чем .больше эта разница, Таким образом, сигналы, из25 меренные установкой внутри контура залежи и нормированные по нормальному полю, всегда меньше единицы, а за нределами равны единице или же величине, близкой к ней (фиг. 3).

ЗО Если измерения градиентов разнесены во времени и за это время меняется ток питающего диполя, неизбежны погрешности в измерениях. Для достижения высокой точности изглереЗ5Э ний (+1.10 < 10 ) необходимо поддержать стабильный ток питания на порядок выше, что при современном уровне развития техники и использова ния источников инфранизких частот мощностью 10-20 кВт практически невозможно. Погрешности будут и в случае одновременного, но дифференциального измерения этих градиентов. Например, допус тим, что при каких-то условиях при токе и одновременном замере получены зна45 чения градиентов пер м и вторым измерительными диполями в 5 и 4 В при разнице, равной 1 В. Затем по каким-то причинам ток в питакщем диполе увеличился в два раза. Поскольз0 ку сопротивление среды осталось неизменно, то значение градиентов потенциалов также изменяется в два раза, как и их разница. Следовательно, погрешности, связанные с нестабильностью тока питания при таком способе измерения неизбежны.

Йсли для определения неоднородности электромагнитного поля будем измерять отношение градиентов этих

60 значений и фиксировать эти значения ,в какое-то время, то получим для первого 4/5 = 0,8 и второго случая

8/10 = 0,8. Таким образом, исключается влияние нестабильности тока питания возбуждающего поля, что дает

1055987 преимущество и приводит к суцественному повышению точности измерений до 10 >, Но такой способ измерения с точностью не ниже 10 возможен только при определенных условиях. Для дости- 5 щения глубинности в несколько километров от дневной поверхности и ра- .. диуса опоискования вокруг скважины

2-;4h, где h - глубина "-алегания неоднородности, необходимо для питания 10

«озбуждающего диполя использовать ларбо постоянный, либо переменный м4гк очень низких (инфранизких г.частат с целью исключения поверхностного эффекта, выражающегося в .вытес- 5 ненни переменного электромагнитного ноля к поверхности земли уже при частотах 1-0- 1 Гц. Это явление прояьляется тем сильнее, чем. больше проводимость исследуемой среды и глубина залегания изучаемого объекта ,а также радиус исследования. На постоянном токе осуществить измерения с требуемой точностью: при современ,ном уровне развИтия техники невозможно, поскольку на измерительные электроды зонда, кроме. сигналов, несущих информацию о среде, под воздействием возбуждаемого электромагнитного поля, поступают ЭДС естест венной поляризации (ПС ), поляризация измерительных электродов и ЭДС., возникающая под воздействием в скважине различных электрохимических процессов, а также в виде ЭДС гальва. нокоррозии, теллурических токов и промышленных помех с уровнем, достигающим десятков и сотен милливольт (например; ЭДС ПС может достигать .

560 мВ, что превышает на несколько порядков .уровень полезных сигналов. 40

К тому же не представляется возможным разделить их значение по принадлежности и выделить сигналы, йесуцие информацию об изучаемой среде. С точки зрения борьбы с теллурическим 45 и блуждаюцигл токами, близким к ним по частоте, наиболее выгодным было бы использовать частоты, близкие к одному. герцу, но, как известно, на этих частотах сильно проявляется 50 скин-эффект, т.е. вытеснение элект- ромагнитного поля к дневной поверхности; и на интересующих нас расстояниях от скважины и глубинах исследования, равных 2-3 км, происходит потеря амплитуды и неконтролируемый сдвиг поля во времени (фазовый сдвигJ, что не позволяет осуществить синхронно-фаэовое детектирование, а это. важно, так как необходимо выделить очень слабые сигналы на фоне значи- ® тельных помех, причем близких и даже совпадающих по частоте с возбудителя поля. Теоретические расчеты и опыт работ показывают, что для решения пос» тавленной задачи при изучении глу- 4г5 бин 3 в 2т 3 км и радиусе опоискования, равном 2-4Ъ в средах с сопротивлением 2-50 Ом, наиболее приемлемы частоты в пределах 0,005-

0,5 Гц, Причем высшие частоты могут быть .использованы в средах более высоким Удельным сопротивлением. По данным отечественных исследований амплитуды электромагнитных вариаций напряженности поля Земли в диапазо-. не частот 0,005-0,1 Гц могут быть равны 0,4-4 мв/мм. В диапазоне же частот 0,1-10 Гц амплитуда равна

100 мкВ/км, и при дальнейшем увеличении частоты амплитуда напряженности снижается до 50 мкВ/км. При этом отмечается, что частоты в диапазоне

0,3-3 Гц присутствуют крайне редко.

По данным зарубежнык исследований помехи, связанные с вариациями естественного электромагнитного поля

Земли в диапазоне частот 0,005-0,5 Гц составляют О,МОЪ максимума, который приходглтся на частоту в 0,001 Гц

{минимум лежит в области 1 Гц ). Следовательно, если вписать диапазон рабочих частот в интервале-спектра

0,005-0,5 Гц, то можно считать, что прием сигналов будет происходить в благоприятных условиях, а при наихудших условиях проявление скинэффекта, проявляющееся в сдвиге фаз, не будет оказывать большого влияния на точность детектирования. Например сдвиг фаз 0,8, 2,56, 8 и 18о дают соответственно погрешности по амплитуде в 0,01, 0,1, 1 и 5%.

Таким образом, для достижения высокой, чувствительности способа исключения влияния ЭДС ПС, теллурических и блуждающих токов, промышленных и других помех, а также поверхностного эффекта и влияния нестабильности тока, возбуждающего электромагнитное поле в зоне разведки, исполь- зуют для питания токовых электродов зонда гармонический ток инфракрасных частот в диапазоне 0,005 0,5 Гц, а измеряют отношение сигналов, снимаежгх с измерительных -электродов зонда т.е. отношение двух, вертикальных электрических градиентов потенциалов и превышающих зти напряжения по". мех усиливают, фильтруют по частоте и фазе, пропускают на измерение с частотой — 5% от тока возбуждаищего поля, затем подвергают фазочувствительному выпрямлению, накапливают во времени не менее 200 периодов частоты возбуждающей поле и регистрируют в цифровой, либо аналоговой форме. Такая узкая полоса пропускания, накопление и система фильтрации обеспечивает подавление помех не только хаотических по частоте и амплитуде, но и разных по начальной фазе, еовпадаюцих по частоте с током питания возбуждаюцего диполя, и про1055987

Составитель Л. Воскобоййикова

Редактор Н. Лазаренко Техред Т;Файта Корректор.Ю. Макаренко, 4

Эакаэ 9298/32 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35г.Раушская наб. ° д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 хождения на измерение сигналов, связанных с аномальными объектами, причем измерение отношения, а не их разности обеспечивают автоматическую компенсацию нестабильности тока возбуадающего поля. 5

Используя принцип суперпоэиции, возможно .измерение взаимной устаксзвФойг вертикальным пот суженным токовыв дийолем в скважине (или одним йз питающих электродов, помещенным под 10 аномальный объект, и другим, заземленным на поверхности ) и двумя горизонтальными измерительными диполя.ми иа поверхности.

По результатагг измерений строятся )5 графики отношений разности потенци.алов по профилям. Затем полученная информация может быть представлена в различной форме. Например, в виде карты равных значений отношения разности потенциалов, на которой проводятся предполагаемые границы залежи.

Таким образом, описанный способ разведки дает ценнугв информацию для многих целей. Сопротивление полученной йиформации с другими данными о геологической структурЕ Земли позволяет уточнить расположение буро« вых разведочных скважин.

Внедрение способа позволяет сократить сроки разведки нефтяных и газовых месторождений и выполнить ее с большой точностью и меньшими затратами, что дает экономию средств.