Способ электромагнитного каротажа скважин

 

Использование: при определении электрических параметров трещинных коллекторов и ориентации горизонтальной оси электрической анизотропии относительно сторон света. Сущность изобретения: в способе электромагнитного каротажа дополнительно возбуждают электромагнитное поле вдоль оси скважины и в горизонтальной плоскости под углом 45 град. к одному из направлений возбуждаемого поля. Измеряют напряженность магнитного поля в направлениях вдоль оси скважины, совпадающих с направлениями каждого из возбуждаемых взаимно перпендикулярных полей и в каждом из двух направлений, перпендикулярных возбуждаемым полям и сдвинутым на 45 град. 1 ил.

Изобретение относится к промысловой геофизике, к электромагнитному каротажу и может использоваться для определения электрических параметров трещинных коллекторов и ориентации горизонтальной оси электрической анизотропии относительно сторон света.

Известен способ электромагнитного каротажа, который основан на возбуждении в скважине с помощью передающей вертикальной катушки электромагнитного поля и измерении с помощью вертикальной приемной катушки реактивной и активной составляющих напряженности магнитного поля [1] Известен также способ, представляющий собой комплекс диэлектрического и индукционного каротажа [2] Комплексирование измерений в этом способе достигается путем изменения частоты возбуждающего поля от низкой частоты для индукционного каротажа до высокой для диэлектрического.

Эти способы не позволяют однозначно определить величины удельной электрической проводимости σ_t и коэффициента электрической анизотропии λ коллектора, пересекаемого системой вертикальных трещин, так как измеряемый сигнал пропорционален комбинации этих величин, а именно s_t/λ. Определение направления горизонтальной оси анизотропии этими способами в принципе невозможно.

В тоже время известен способ электромагнитного каротажа, который основан на возбуждении с помощью пары горизонтальных взаимно перпендикулярных генераторных катушек в породе гармонического высокочастотного электромагнитного поля, результирующий вектор которого вращается с некоторой частотой в горизонтальной плоскости, не меняя величины своей амплитуды, и измерении с помощью системы двух пар взаимно перпендикулярных горизонтальных измерительных катушек затухания этого поля между точками расположения пар путем деления величины напряженности в этих точках. Изменение величины затухания в зависимости от ориентации возбуждаемого поля позволяет выделять породы с азимутально-неоднородным распределением удельного электрического сопротивления, например трещинные коллекторы.

Однако при высоких удельных сопротивлениях, которыми, как правило, характеризуются трещинные коллекторы, этот метод не позволяет отличить породы с системой вертикальных трещин, например, от пород с наклонной трещиноватостью, так как зависимость затухания от ориентации трещин существенно ослабляется. Неясно также, как по результатам измерений определять величины электрических параметров коллектора и ориентацию оси анизотропии в пространстве. Кроме того, возбуждение и регистрация вращающегося поля усложняет конструкцию устройства и накладывает ограничения на скорость проведения каротажа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, заключающийся в возбуждении электромагнитного поля в двух взаимно перпендикулярных азимутах, измерении затухания горизонтальной составляющей магнитного поля, сравнении результатов измерения и определении азимутальной неоднородности среды по расхождению показаний [3] Недостатком этого способа является невысокая достоверность выделения азимутально-неоднородных сред, в том числе трещинных коллекторов, так как возможны случаи, когда показания зондов равны при наличии трещиноватости пород. Азимутальная неоднородность трещиноватых пород проявляется как анизотропия их электрического сопротивления. Если в породе существует основная система трещин, ориентированных в одном направлении, то сопротивление в направлениях, параллельных плоскостям трещин, отличается от сопротивления в направлении, перпендикулярном этим плоскостям. Последнее направление называется осью анизотропии. В случае системы вертикальных трещин, который является наиболее вероятным из-за разницы между вертикальным и боковым горным давлением, ось анизотропии горизонтальна и в случае, когда угол между осью анизотропии и каждым из зондов составляет 45^o показания зондов будут равны. Кроме того, используя известные значения потенциалов нетрудно получить выражение для напряженности магнитного поля Н в точке расположения одной из измерительных катушек H = H_c+H_acos2β, где H_c составляющая магнитного поля, не зависящая от ориентации зонда; H_a составляющая магнитного поля, соответствующая максимальному влиянию анизотропии на показания зонда, β угол между направлением возбуждения поля и осью анизотропии.

При высоких сопротивлениях разреза, характерных для трещиноватых пород H_c~(L/δ)², а H_a~(L/δ)³, где L длина зонда, толщина скин-слоя в исследуемой породе, w циклическая частота поля, m магнитная проницаемость породы, r_t удельное электрическое сопротивление породы в плоскости трещин. В этом случае L/δ≪ 1 и, следовательно, H_a<H, т.е. поля, регистрируемые двумя взаимно перпендикулярными зондами или затухания этих полей слабо отличаются друг от друга. В то же время для определения этим методом электрических параметров пород, пересеченных вертикальными трещинами, и установления ориентации оси анизотропии в пространстве не хватает информации.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей определения удельной электрической проводимости σ_t вдоль простирания трещин, коэффициента электрической анизотропии λ и установление ориентации оси анизотропии в плоскости напластования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электромагнитного каротажа, основанном на возбуждении электромагнитного поля в двух взаимно перпендикулярных азимутах, регистрации с удалением по оси скважины компонент магнитного поля и суждении на основе измерений об азимутальной неоднородности дополнительно возбуждают электромагнитное поле вдоль оси скважины и в горизонтальной плоскости под углом 45^o к одному из направлений возбуждаемого поля и измеряют напряженность магнитного поля в направлениях каждого из возбуждаемых взаимно перпендикулярных полей и в каждом из двух направлений, перпендикулярных возбуждаемым полям и сдвинутым на 45^o и по измеренным величинам находят удельную электрическую проводимость, коэффициент анизотропии, и угол, определяющий положение горизонтальной оси анизотропии удельной электрической проводимости.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что третью генераторную катушку располагают в горизонтальной плоскости под углом 45^o к одной из двух генераторных катушек, измеряют напряженности магнитного поля в двух направлениях, перпендикулярных возбуждаемому полю и сдвинутых на угол 45^o, дополнительно возбуждают электромагнитное поле в направлении, перпендикулярном к осям горизонтальных катушек и измеряют в этом же направлении активную или реактивную составляющую напряженности магнитного поля и по измеренным величинам определяют электрические параметры пласта и ориентацию горизонтальной оси анизотропии относительно сторон света. Таким образом заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому способу соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже 1 показана схема расположения катушек скважинного прибора, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ.

Скважинный прибор содержит генераторные катушки 1,2,3,4 и приемные катушки 5,6,7,8. Оси катушек 1 и 6 перпендикулярны между собой и повернуты как целое на угол 45^o относительно системы взаимно перпендикулярных катушек 2 и 7. Катушки 2 и 3, 5 и 7 перпендикулярны друг к другу. Оси катушек 4 и 8 лежат на прямой перпендикулярной плоскости, на которой лежат оси катушек 1,2,3. На генераторные катушки 1,2,3,4 поочередно подают электрический ток частотой 50 кГц при расстоянии между приемными и генераторными катушками равном L 1 м.

При этом измеряют напряженность магнитного поля: приемной катушкой 6 магнитное поле, возбуждаемое генераторной катушкой 1; приемной катушкой 5 магнитное поле, возбуждаемое катушкой 2; приемной катушкой 7 магнитное поле, возбуждаемое катушкой 3; приемной катушкой 7 магнитное поле, возбуждаемое катушкой 2; приемной катушкой 8 магнитное поле, возбуждаемое катушкой 4.

Для того, чтобы определить ориентацию горизонтальной оси анизотропии, необходимо сопряжение предложенного выше устройства с инклинометром, тогда угол a между горизонтальной осью анизотропии и направлением на север будет равен
a = β+γ,
где β угол между осью приемной катушки 7 и горизонтальной осью анизотропии;
g угол между осью приемной катушки 7 и направлением на север.

Суть заявляемого способа заключается в следующем.

Известно, что величина напряженности магнитного поля, возбуждаемого в горизонтальном направлении, но измеряемая в горизонтальном направлении перпендикулярном направлению возбуждаемого поля равна /6/
H₁= H_ysin2β. (1)
Если же магнитное поле возбуждается в горизонтальном направлении под углом 45^o к предыдущему, то величина напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении перпендикулярном направлению возбуждения поля, равна
H₂= -H_ycos2β. (2)
Напряженность магнитного поля, измеряемая в направлении совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля, равна
H₃= H_c+H_ycos2β.. (3)
Напряженность магнитного поля, измеряемая в направлении, совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля, перпендикулярном направлению возбуждения поля для H₃, равна
H₄= H_c-H_ycos2β. (4)
Здесь H_c составляющая магнитного поля, не зависящая от направления измерения, H_y составляющая напряженности магнитного поля, соответствующая максимальному влиянию анизотропии на показания зонда, β - угол между направлением регистрации поля и осью анизотропии.

При решении обратной задачи относительно угла b необходимо избавиться от удвоенного угла b, т.к. удвоение угла вносит неоднозначность в решение обратной задачи. Тогда решение системы (1), (2) будет представляться в виде
(5a)
(5б)
Рассмотрим сечение скважины горизонтальной плоскостью. Совместим ось Х с осью одной из приемных катушек (на чертеже изображена стрелкой). Угол β - это угол между осью Х и горизонтальной осью анизотропии l. Оси координат ОХ и OY делят сечение скважины на четыре квадранта I, II, III и IV (см. рис.1). Горизонтальная ось анизотропии l имеет четыре возможных положения, для которых мы можем определить значение угла b:
ось анизотропии l пересекает I и III квадранты, тогда величину угла b рассчитываем по формуле (5а);
ось анизотропии l пересекает II и IV квадранты, тогда величина угла b определяется по формуле (5б);
ось анизотропии l совпадает с осью ОХ, тогда
H₃-H₄-2H₂ 0 и b 0;
ось анизотропии l совпадает с осью OY, тогда
H₃-H₄+2H₂ 0 и b 90^o.

Для того, чтобы определить знак угла b, необходимо знать удельную электрическую проводимость s_t в плоскости простирания трещин и величину коэффициента анизотропии λ. Существует возможность непосредственной оценки величины s_t. Из выражений (1) (4) в приближении малого параметра можно получить

где ω = 2πf циклическая частота электромагнитного поля,
μ магнитная проницаемость среды, обычно принимаемая равной 4π·10^-7Гн/м,
L расстояние от генераторной катушки до приемной.

Для определения величины коэффициента анизотропии λ дополнительно возбуждаем магнитное поле вдоль оси скважины и на расстоянии L от точки возбуждения поля измеряем напряженность магнитного поля H₅ в том же направлении, тогда

Подставляя найденные значения σ_t и λ в выражение для H_y
,
где K -(1-i)P_t, длина зонда, нормированная на толщину скин-слоя, и, находя отношение H₁/H_y, определяем знак угла β:

Использование предлагаемого способа электромагнитного каротажа обеспечивает по сравнению с прототипом возможность количественного анализа электрических параметров трещинных коллекторов и позволяет судить о местоположении системы вертикальных трещин в коллекторе относительно сторон света.

Формула изобретения

Способ электромагнитного каротажа скважины, включающий возбуждение электромагнитного поля в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных азимутах, регистрацию с удалением по оси скважины компонент магнитного поля каждой из генераторных катушек и суждение на основе измерений об азимутальной неоднородности среды, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают электромагнитное поле вдоль оси скважины и в горизонтальной плоскости под углом 45^o к одному из направлений возбуждаемого поля и измеряют напряженность магнитного поля вдоль оси скважины в направлениях, совпадающих с направлениями каждого из возбуждаемых взаимно перпендикулярных полей, и в каждом из двух направлений, перпендикулярных возбуждаемым полям и сдвинутых на 45^o, а об азимутальной неоднородности среды судят по удельной электрической проводимости σ_t, коэффициенту анизотропии λ и углу b, определяющему положение горизонтальной оси анизотропии удельной электрической проводимости, согласно формулам

где H₁ активная или реактивная составляющая напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении, перпендикулярном оси одной из генераторных катушек;
H₂ активная или реактивная составляющая напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении, перпендикулярном оси генераторной и сдвинутом на угол 45^o относительно предыдущего направления;
H₃ активная или реактивная составляющая напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении, совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля;
H₄ активная или реактивная составляющая напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении, совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля, измеряемая в направлении, совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля, перпендикулярном направлению возбуждения для H₃;
H₅ активная или реактивная составляющая напряженности магнитного поля, измеряемая в направлении, совпадающем с направлением возбуждения магнитного поля вдоль оси скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1