Устройство для геофизических исследований в скважинах

Изобретение относится к устройствам для дистанционного измерения параметров водной среды, в частности для измерений температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности жидкости, содержания нефти в воде, водородного показателя рН, окислительно-восстановительного потенциала Eh, концентраций различных ионов водной среды, а также для измерения электрических полей в скважинах. Устройство содержит погружной зонд и наземный блок, соединенные каротажным кабелем. С целью повышения точности измерения интенсивности внешнего электрического поля в передающем многоканальном измерительном преобразователе погружного зонда создан дополнительный вход, к которому подключен металлический корпус зонда. Кроме того, в наземный блок введен блок анализа электрических полей, вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход подключен к дополнительному входу вычислительного устройства. 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для дистанционного измерения параметров водной среды, в частности для измерений температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности жидкости, содержания нефти в воде, водородного показателя рН, окислительно-восстановительного потенциала Eh, концентраций различных ионов водной среды, а также для измерения электрических полей в скважинах.

Известно устройство для исследований вод в скважинах, состоящее из погружного зонда, содержащего блок датчиков, блок формирования тестов, передающий многоканальный преобразователь и стабилизатор напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, блок питания, приемный преобразователь, вычислительное устройство, блок идентификации, блок хранения параметров, устройство индикации и регистрации, и соединяющего их одножильного кабель-троса (Патент РФ №2084006, опубликован 10.07.97. Бюллетень №19).

В данном устройстве обеспечивается повышение точности измерений (путем идентификации реальных индивидуальных функций преобразования измерительных каналов) и расширение функциональных возможностей (расширение перечня измеряемых параметров воды, возможность быстрого изменения набора измеряемых величин в конкретном эксперименте).

Однако данное устройство, во-первых, не обладает необходимым уровнем защиты гидрохимических измерительных каналов от действия внешних электрических полей и, во-вторых, не позволяет оценить интенсивность этих полей.

Важно подчеркнуть, что в скважинах обычно присутствуют значительные электрические поля, вызываемые либо естественным электрическим полем, присущим конкретной геологической среде (геофизические электрические поля), либо полями искусственного происхождения (наличие утечек токонесущих кабелей, возникновение электродного потенциала между металлическими конструкциями как в самой скважине, так и между скважиной и спускаемой аппаратурой, различные потенциалы, связанные с коррозией обсадных труб, потенциалы, вызванные изменением гидравлического режима потока жидкости в скважине и т.п.). Эти поля вызывают появление токов в водной среде в скважинах, что, в свою очередь, приводит к различию потенциалов в различных точках водной среды.

В связи с этим необходимо, с одной стороны, обеспечить защиту гидрохимических измерительных каналов зонда от действия электрических полей в скважине, с другой стороны, создать возможность измерения интенсивности этих полей, что дает ценную геофизическую информацию при проведении исследований в скважинах.

Наиболее близким к заявляемому является устройство (прототип) для исследования вод в скважинах (Патент РФ №2153184, опубликован 20.07.2000, бюллетень №20).

Устройство состоит из погружного зонда, имеющего корпус, соединенный с экранирующей блендой, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических электродов, а в герметичном корпусе находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего источник тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - к входу приемного преобразователя, блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, третий - с выходом блока подавления помех, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного зонда с выходом стабилизатора тока наземного блока.

Указанное устройство обеспечивает высокую точность измерений и эффективное подавление влияния внешнего электрического поля на измерительные каналы зонда, а также возможность оценки интенсивности этого электрического поля при использовании двух однотипных потенциометрических датчиков различной длины. Однако при этом оценивается только продольная составляющая электрического поля в области расположения потенциометрических датчиков внутри экранирующей бленды, которая может быть значительно меньше полной интенсивности электрического поля в скважине.

Таким образом, в данном устройстве успешно решается задача защиты потенциометрических измерительных каналов от влияния внешних электрических полей, но неудовлетворительно оценивается интенсивность этих полей и их структура по глубине скважины.

Следует отметить, что в этом устройстве потенциалы всех измерительных электродов (рН-электрод, Eh-электрод, ионоселективные электроды) измеряются относительно потенциала общего электрода сравнения, который также расположен внутри экранирующей бленды (более подробно этот вопрос рассмотрен в патенте РФ №2260820 на "Устройство для исследования вод в скважинах", опубликованном 20.09.2005., бюллетень №26). В то же время металлический корпус погружного зонда можно рассматривать как электрод, потенциал которого относительно электрода сравнения изменяется при изменениях внешнего электрического поля в скважине. Указанный потенциал зависит от материала металлического корпуса, химического состава жидкости в скважине, интенсивности внешнего электрического поля и потенциала поляризации, вызванной протеканием тока через корпус зонда. В связи с этим разность потенциалов корпуса зонда и электрода сравнения может быть использована для оценки изменений интенсивности внешнего электрического поля в скважине.

С этой целью в описанном выше устройстве (прототипе) создан дополнительный измерительный канал - канал измерения интенсивности внешнего электрического поля. Для этого в передающем многоканальном измерительном преобразователе погружного зонда создан дополнительный вход, к которому подключен металлический корпус зонда. Кроме того, в наземный блок введен блок анализа электрических полей, вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход подключен к дополнительному входу вычислительного устройства.

Устройство для исследования вод в скважинах изображено на фиг.1.

Погружной зонд имеет герметичный металлический корпус 3, внутри которого помещены блок формирования тестов 4, многоканальный передающий преобразователь 5 и стабилизатор напряжения 6. К корпусу 3 прикреплена экранирующая бленда 1, внутри которой на корпусе зонда установлены датчики 2. Датчики 2 включают в себя две группы датчиков: 2' - датчики гидрофизических параметров (температура, гидростатическое давление, удельная электропроводность, содержание нефти); 2" - потенциометрические датчики (электрод сравнения, рН-электрод, pNa-электрод, Eh-электрод и т.п.). При этом окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических электродов. Выходы датчиков соединены с входами многоканального передающего преобразователя, дополнительный вход которого соединен с корпусом 3 зонда. Погружной зонд соединен с наземным блоком одножильным каротажным кабелем 7.

Наземный блок включает в себя стабилизатор тока 8, блок питания 9, приемный преобразователь 10, вычислительное устройство 11, блок идентификации 12, блок подавления помех 13, блок анализа электрических полей 14, блок хранения параметров 15, устройство индикации и регистрации 16.

В изготовленном экземпляре устройства для исследования вод в скважинах погружной зонд имеет титановый корпус диаметром 54 мм. Набор используемых датчиков включает в себя датчики температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, содержания нефти в воде, электроды рН, Eh, сравнения, различные ионоселективные электроды (NO₃, NH₄, Na, H₂S и др.). Устройство имеет 11 измерительных каналов (т.е. одновременно измеряются 11 параметров водной среды), в том числе каналы температуры, гидростатического давления, удельной электропроводности, содержания нефти, 6 потенциометрических каналов, каждый из которых может быть использован для измерений рН, Eh и концентраций различных ионов с помощью ионоселективных электродов, и канал измерения внешних электрических полей.

В качестве датчика температуры применен резистивный термопреобразователь сопротивления с малой тепловой инерцией, в качестве датчика давления - тензопреобразователь давления, выполненный по технологии "кремний на сапфире", в качестве датчика удельной электропроводности - трансформаторный бесконтактный преобразователь, в качестве датчика содержания нефти -диэлькометрический емкостной преобразователь, в качестве датчиков концентраций различных ионов - ионоселективные электроды. Электрод сравнения хлорсеребряный, истекающий. Его внутренняя полость заполнена электролитом, который истекает через жидкостный ключ. В канале измерения внешних электрических полей осуществляется измерение потенциала металлического корпуса зонда относительно потенциала электрода сравнения.

В многоканальном передающем преобразователе выходной сигнал каждого датчика преобразуется в цифровой код. При этом на входах потенциометрических каналов используются усилители напряжения с высоким входным сопротивлением. Аналого-цифровые преобразователи содержат цифровые фильтры, обеспечивающие подавление помех промышленной частоты.

Цифровой код с выхода многоканального передающего преобразователя поступает на стабилизатор напряжения, который обеспечивает не только электрическое питание погружного зонда, но и последовательную передачу кодов по одножильному каротажному кабелю.

Кроме поочередного опроса датчиков, в многоканальном передающем преобразователе осуществляется поочередный опрос выходов блока формирования тестов.

Для защиты устройства от действия внешних электрических полей к корпусу погружного зонда прикреплена экранирующая бленда, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков.

Электрическое питание погружного зонда осуществляется от блока питания наземного блока через стабилизатор тока, что обеспечивает лучший (по сравнению с питанием от источника напряжения) режим работы электронных устройств зонда при изменениях электрического сопротивления каротажного кабеля.

Приемный преобразователь отделяет информационный сигнал, поступающий по кабелю, от напряжения питания и преобразует его к виду, удобному для ввода в вычислительное устройство, блок идентификации, блок подавления помех и блок анализа электрических полей.

Блок идентификации использует результаты преобразования сигналов всех датчиков и тестов и с учетом вида математической модели функции преобразования каждого измерительного канала определяет значения его параметров этой функции для каждого измерительного канала в текущий момент времени путем решения соответствующей системы уравнений. Полученные реальные параметры функций преобразования измерительных каналов вводятся в вычислительное устройство, которое, используя модели измерительных каналов и индивидуальные параметры датчиков, вычисляет значения всех измеряемых величин.

Вычисленные значения измеряемых величин выдаются на устройство индикации и регистрации в виде именованных чисел в единицах измерения соответствующих величин.

Блок хранения параметров содержит индивидуальные параметры всех датчиков, которые могут быть использованы в устройстве. Оператор устанавливает в погружном зонде датчики, необходимые в конкретном эксперименте, и вводит в вычислительное устройство информацию о том, в каком измерительном канале какой датчик применен. При определении значений измеряемых величин вычислительное устройство автоматически использует индивидуальные параметры соответствующих датчиков, хранящиеся в блоке хранения параметров.

Блок подавления помех использует результаты преобразования сигналов измерительных каналов, осуществляет их цифровую обработку и анализ, в результате чего обеспечивается повышение помехозащищенности устройства. В блоке подавления помех выполняются следующие процедуры:

- цифровая фильтрация сигналов с целью подавления импульсных помех и помех промышленной частоты;

- обнаружение и оценка интенсивности внешнего электрического поля (при использовании двух однотипных электродов разной длины). Если эта интенсивность превышает установленный порог, то в вычислительное устройство выдается признак возможной аномальности результатов;

- оценка корреляции между изменениями результатов измерений по каналам температуры, удельной электропроводности и потенциометрии. Если изменения результатов измерений по каналам потенциометрии сильно коррелированы друг с другом, но практически не коррелированы с изменениями температуры и удельной электропроводности, то это является признаком наличия внешнего электрического поля.

Блок анализа электрических полей выполняет следующие функции:

- цифровая фильтрация сигнала, поступающего по каналу измерения внешних электрических полей, с целью подавления импульсных помех и помех промышленной частоты;

- оценивание интенсивности внешнего электрического поля;

- спектральный или корреляционный анализ сигнала, рассматриваемого в координатах "глубина погружения зонда - интенсивность внешнего электрического поля".

Изготовленный экземпляр устройства прошел лабораторные исследования и натурные испытания в различных скважинах. Метрологические исследования, проведенные в Самарском центре стандартизации, метрологии и сертификации (г.Самара), показали, что устройство имеет следующие погрешности измерений: температуры - ±0,03°С в диапазоне 0...85°С; гидростатического давления - ±0,15% (приведенная погрешность); удельной электропроводности - ±0,05% на каждом из диапазонов 0,01...0,1 См/м; 0,1...1 См/м; 1...10 См/м; электрического потенциала измерительных электродов относительно потенциала электрода сравнения - ±0,5 мВ; Eh - ±1 мВ в диапазоне -500...+1800 мВ; рН - ±0,05 ед.рН; активностей различных ионов - ±(0,05...0,1) лог. ед.

Лабораторные исследования помехозащищенности устройства показали, что коэффициент подавления внешнего электрического поля частотой 50 Гц составляет не менее 100 дБ по входному напряжению каналов потенциометрии, а поле постоянного тока в воде с напряженностью до 10 В/м вызывает погрешность потенциометрии, не превышающую 0,05 лог.ед.

Натурные испытания и производственная эксплуатация устройства на скважинах в Тюменской области показали, что наличие в составе системы канала измерения и анализа внешних электрических полей дает возможность не только исследовать естественные геофизические электрические поля в скважинах, но и успешно решать такие задачи промысловой геофизики, как обнаружение зон перфорации обсадных труб, обнаружение участков интенсивной коррозии труб, исследования и оценка качества гидродинамической связи внутренней области обсадной трубы с эксплуатируемым пластом и т.п. В качестве примера на графиках фиг.2 - фиг.4 приведены зависимости выходного сигнала канала измерения электрического поля от глубины погружения зонда, полученные на различных скважинах Покачевской площади Тюменской области.

На фиг.2 приведены результаты исследования скважины, в которой на глубинах (2016...2020)м выполнена перфорация обсадной трубы. График 1 получен до проведения перфорации, а график 2 - после ее проведения. Значительное различие графиков 1 и 2 выходного сигнала канала измерения электрического поля в указанной области свидетельствует о наличии перфорации. На фиг.3 видны существенные изменения измеряемого потенциала на глубинах (2167...2182) м, а характер изменений выходного сигнала свидетельствует о наличии здесь интенсивной коррозии обсадной трубы. На фиг.4 показаны результаты исследования эксплуатируемой скважины, в которой на глубинах (2423...2435) м расположена зона перфорации, обеспечивающая связь с эксплуатируемым пластом. Изменения выходного сигнала доказывают наличие хорошей гидродинамической связи в данной области. Выводы, сделанные на основе анализа графиков, приведенных на фиг.2 - фиг.4, подтверждаются и другими методами геофизических исследований. Таким образом, описанный выше канал измерения электрического поля позволяет получить ценную геофизическую информацию.

Предлагаемое устройство предназначено для исследований скважин путем гидрогеохимического и электрического каротажа, а также может быть использовано для экологического мониторинга подземных вод в скважинах.

Устройство для геофизических исследований в скважинах, состоящее из погружного зонда, имеющего корпус, соединенный с экранирующей блендой, внутри которой расположены датчики, причем окна в бленде для протока воды находятся вне области, в которой расположены чувствительные элементы потенциометрических датчиков, а в корпусе находится передающий многоканальный преобразователь, одни входы которого подключены к выходам датчиков, а другие входы - к выходам блока формирования тестов, а выход соединен со стабилизатором напряжения, наземного блока, содержащего стабилизатор тока, вход которого подключен к выходу блока питания, а выход - ко входу приемного преобразователя, блок идентификации, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, блок подавления помех, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, вычислительного устройства, один вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, другой - с выходом блока идентификации, третий - с выходом блока подавления помех, а выход - с устройством индикации и регистрации, блок хранения параметров, соединенный с вычислительным устройством, одножильного каротажного кабеля, соединяющего стабилизатор напряжения погружного блока с выходом стабилизатора тока наземного блока, отличающийся тем, что металлический корпус погружного зонда соединен с дополнительным входом передающего многоканального преобразователя, а наземный блок содержит блок анализа электрических полей, вход которого соединен с выходом приемного преобразователя, а выход подключен к дополнительному входу вычислительного устройства.