Способ бокового каротажа и устройство для его осуществления

Изобретение относится к нефтепромысловой геофизике и может быть использовано в аппаратуре бокового каротажа. Сущность: в скважине и окружающих горных породах возбуждают переменные электрические поля зондовыми системами k разноглубинных зондов бокового каротажа, одновременно питаемых k источниками переменного тока с частотами f₁, …, f_k. Разделяют суммарные сигналы тока и потенциала центрального электрода зондовых систем на частотные составляющие с помощью k полосовых фильтров, включенных в измерительные каналы тока и потенциала центрального электрода. По частотным составляющим токов и потенциалов центрального электрода определяют удельные электрические сопротивления, измеряемые k разноглубинными зондами бокового каротажа. Для устранения взаимовлияния зондов использованы k режекторных фильтров, включенных в выходные цепи каждого из источников переменного тока. Частоты f₁, …, f_k выбирают исходя из соблюдения условий сохранения квазистационарности возбуждаемых электрических полей и, в частности, соотношения f₁>f₂>…>f_k, где большему индексу k соответствует и большая радиальная глубинность исследования зонда бокового каротажа. Технический результат: расширение функциональных возможностей разноглубинного бокового каротажа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к нефтепромысловой геофизике и может быть использовано в аппаратуре бокового каротажа, предназначенной для измерения удельных электрических сопротивлений горных пород в нефтегазовых скважинах.

Известен способ трехэлектродного бокового каротажа (см., например, С.С.Итенберг, Т.Д.Дахкильгов. Геофизические исследования в скважинах. М., «Недра», 1982. С.108, 131, 132), при котором на центральный и экранные электроды, соединенные между собой электрическим шунтом малого (≈0,01 Ом) сопротивления, подают питающий переменный ток, измеряют ток I₀ центрального электрода и потенциал ΔU экранных электродов относительно электрода сравнения и определяют кажущееся удельное сопротивление ρ_k горных пород из соотношения

,

где k - коэффициент зонда.

Так как электроды зонда соединены практически накоротко, образуя эквипотенциальную поверхность, ток, стекающий с центрального электрода, фокусируется в направлении, перпендикулярном оси зондовой установки и скважины. Это повышает детальность расчленения тонкослоистого высокоомного разреза в скважинах, заполненных высокоминерализованной промывочной жидкостью.

Устройство (см. там же), реализующее этот способ, содержит зондовую установку, генератор переменного тока, усилительно-преобразовательные каналы измерения тока I₀ и потенциала ΔU, наземную регистрирующую аппаратуру.

Однако в этом устройстве реализован зонд бокового каротажа с одной радиальной глубинностью исследования, что не позволяет выделять в разрезах скважин проницаемые интервалы, т.е. пласты-коллекторы, и ограничивает его функциональные возможности.

Известен способ разноглубинного бокового каротажа, основанный на исследовании горных пород тремя зондами бокового каротажа с разными радиальными характеристиками (радиальными глубинностями исследования), при этом все зонды реализуют на базе семиэлектродной зондовой установки с общим центральным электродом (А.Г.Барминский, Р.А.Кучеров и др. Расчет поля зондов бокового каротажа с объемными электродами в условиях пластов бесконечной мощности. В сб. «Нефтепромысловая геофизика» Вып.7. Уфа, БашНИПИнефть, 1977. С.26-30). Изменение глубинности исследования осуществляют переключением питающего переменного тока одной частоты на соответствующую группу электродов. При исследовании скважины каждым зондом производят измерение тока I₀ и потенциала ΔU, по которым судят о кажущихся удельных сопротивлениях горных пород.

Известно устройство, реализующее этот способ, (см. там же) содержащее семиэлектродную зондовую установку, генератор переменного тока, коммутатор питающего тока, измерительные каналы потенциала и тока центрального электрода.

Недостатком является невозможность одновременного исследования скважины всеми тремя зондами из-за их взаимовлияния. Измерения разноглубинными зондами производятся поочередно отдельными спусками-подъемами в интервале исследования. Это снижает производительность труда и ухудшает сопоставимость получаемых данных.

Известен способ бокового каротажа (см. авторское свидетельство СССР №1003002, МПК G01V 3/18, опубл. 07.01.83 г., бюлл. №9), принятый за прототип. В этом способе в горных породах, окружающих скважину, возбуждают электрическое поле и измеряют ток и потенциал центрального электрода как минимум у двух зондов бокового каротажа с разными радиальными характеристиками, по которым определяют величину удельного электрического сопротивления пород, причем питание токовых цепей обоих зондов бокового каротажа осуществляют одновременно сдвинутыми по фазе на π/2 переменными токами одной частоты. Параметры электрического поля, соответствующие показаниям первого зонда, измеряют в моменты времени, когда переменный ток в цепи второго зонда достигает нулевого значения, и, наоборот, параметры электрического поля, соответствующие показаниям второго зонда, измеряют в моменты времени, когда переменный ток в цепи питания первого зонда достигает нулевого значения.

Известно устройство для бокового каротажа (см. там же), принятое за прототип, включающее зондовую установку, содержащую как минимум пять электродов двух зондов бокового каротажа, цепи питания зондовой установки переменным током, измерительные каналы потенциала и тока центрального электрода зондовой установки. В цепь питания первого зонда бокового каротажа введена фазосдвигающая схема, включенная параллельно с цепью питания второго зонда бокового каротажа. В измерительных каналах потенциала и тока центрального электрода имеются схемы выборки и хранения и измеритель разности фаз, соединенный с цепями питания зондовой установки и управляющими входами схем выборки-хранения.

В данном способе и реализующем его устройстве возможно одновременное измерение разноглубинными зондами бокового каротажа, что повышает производительность труда и сопоставимость результатов исследований.

Однако одновременные измерения возможны только двумя зондами бокового каротажа, так как одновременно можно использовать только два питающих тока со сдвигом фаз на 90°.

Это следует из нижеследующего. Согласно этому способу, измерения первым зондом производятся в тот момент времени, когда питающий ток второго зонда проходит через нулевое значение, и наоборот, что необходимо для устранения взаимовлияния зондов. При попытке измерения, например, тремя зондами необходимо, чтобы в момент измерения одним из них питающие токи двух других одновременно обращались бы в нуль. Так как частоты всех питающих токов одинаковы, то это возможно только при синфазности или противофазности этих токов. В первом случае получаем один ток со сдвигом фаз 90° по отношению к первому, во втором - отсутствие тока.

Таким образом, измерения возможны только двумя разноглубинными зондами.

Задачами изобретения являются расширение функциональных возможностей.

Решение этой задачи достигнуто за счет того, что в способе бокового каротажа, при котором в скважине и окружающих горных породах возбуждают переменные электрические поля зондовыми системами k (k≥2) разноглубинных зондов бокового каротажа, при этом большему индексу k соответствует и большая радиальная глубинность исследования, измеряют токи и потенциалы центрального электрода зондовых систем, по которым судят об удельных электрических сопротивлениях горных пород, питание зондовых систем разноглубинных зондов осуществляют одновременно токами с частотами f₁, …, f_k, при этом разделяют суммарные сигналы токов и потенциалов центрального электрода на частотные составляющие, соответствующие l, …, k разноглубинным зондам, причем частоты f₁, …, f_k выбирают исходя из соблюдения условий сохранения квазистационарности возбуждаемых электрических полей и, в частности, соотношения f₁>f₂>…f_k.

В предлагаемом способе поле, возбуждаемое в скважине и окружающих породах, является суперпозицией нескольких электрических полей с разными частотами, поэтому и потенциал, и ток центрального электрода зондовых систем представляют собой сигналы, спектры которых включают эти частотные составляющие. Разделяя методами частотной фильтрации сигналы потенциала и тока центрального электрода на составляющие ΔU_f1, … ΔU_fk, I_0f1…I_0fk, соответствующие k разноглубинным зондам, далее определяют удельные электрические сопротивления для каждого из них по формуле:

Для ослабления эффектов, связанных с электромагнитной индукцией и влиянием токов смещения в среде, частоты питания зондовых систем выбирают исходя из условий сохранения квазистационарности возбуждаемых электрических полей (см., например, Л.М.Альпин, Д.С.Даев, А.Д.Каринский. Теория полей, применяемых в разведочной геофизике. М., «Недра», 1985. С.281, 282). Для того, чтобы электромагнитное поле можно было считать квазистационарным, оно должно удовлетворять трем условиям.

1. Медленность изменения поля и достаточная электропроводность среды.

2. Замкнутость токов.

3. Размеры области пространства, содержащей токи, создающие магнитное поле, и точки наблюдения этого поля должны быть не слишком велики во избежание заметного запаздывания изменений магнитного поля относительно возбудителей этого поля.

Первое условие обеспечивает преобладание токов проводимости над токами смещения, т.е. выполнение соотношения

;

где ω - круговая частота поля; ω=2πf; ε_a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; ε_a=ε₀ε; где ε₀=10^-9/36π; ε - относительная диэлектрическая проницаемость; γ - удельная электропроводность.

Для среды с γ=10^-4 См/м и ε=15 (предельные условия для бокового каротажа) и заданного отношения максимальная частота f_max, при которой сохраняется квазистационарность поля, - 1200 Гц.

Второе условие квазистационарности поля обеспечивается расположением прямого и обратного питающих электродов зондовых систем в проводящей среде, и токи, текущие в горных породах, всегда замкнуты.

Известно, что чем больше радиальная глубинность исследования зонда бокового каротажа, тем больше область пространства, в которой находятся зондирующие токи. Поэтому для соблюдения третьего условия квазистационарности поля необходимо снижать частоту тока питания зондовых систем с ростом глубинности исследования, т.е. должно выполняться соотношение f₁>f₂>…>f_k, где f₁ - частота тока питания самого малоглубинного зонда, причем f₁≤f_max.

В устройство для бокового каротажа, включающее зондовые системы k разноглубинных зондов бокового каротажа, источник переменного тока с частотой f₁, измерительные каналы тока и потенциала центрального электрода зондовых систем, дополнительно введены (k-1) источник переменного тока с частотами f₂, …, f_k, во входные цепи измерительных каналов тока и потенциала центрального электрода зондовых систем введено по k полосовых фильтров, а в выходные цепи источников переменного тока - по k режекторных фильтров.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ бокового каротажа для варианта трех (k=3) разноглубинных зондов.

Устройство содержит зондовую систему зонда малой глубинности исследования, состоящую из центрального электрода 1, экранных электродов 2, 3, электрически соединенных между собой, обратных электродов 4, 5, электрически соединенных между собой; зондовую систему зонда средней глубинности исследования, состоящую из центрального электрода 1 и экранных электродов 2, 3; зондовую систему зонда большой глубинности исследования, состоящую из центрального электрода 1, экранных электродов 2, 3 и 6, 7, электрически соединенных между собой. Устройство включает также источники 8, 9, 10 переменных токов с частотами f₁, f₂ и f₃, соответственно, измерительные каналы 11, 12 потенциала и тока центрального электрода, соответственно, во входные цепи которых включено по три полосовых фильтра 13, 14, 15 и 16, 17, 18, соответственно. В выходные цепи источников 8, 9, 10 переменных токов включены режекторные (заграждающие) фильтры 19, 20, 21, соответственно. Измерительный канал 11 потенциала включает также входной трансформатор 22 и трехканальный измерительный преобразователь 23. Измерительный канал 12 тока центрального электрода содержит также входной трансформатор 24 и трехканальный измерительный преобразователь 25.

Устройство включает также обратный токовый электрод 26 и электрод 27 сравнения. Электроды 1, …, 7 зондовых систем отделены друг от друга изоляционными промежутками 28.

Устройство работает следующим образом.

Источники 8, 9, 10 вырабатывают переменные токи с частотами f₁, f₂, f₃, которые через режекторные фильтры 19, 20, 21 одновременно подаются на электроды зондовых систем соответствующих разноглубинных зондов. От источника 8 ток с частотой f₁ подается на экранные электроды 2, 3 и соединенный с ними шунтом малого сопротивления центральный электрод 1 и замыкается на обратные электроды 4, 5. Так как обратные электроды 4, 5 находятся вблизи от экранных (0,1-0,15 м), то линии тока электрического поля концентрируются, в основном, в прискважинной зоне, что обеспечивает малую радиальную глубинность исследования.

От источника 9 ток с частотой f₂<f₁ поступает на экранные электроды 2, 3 и на центральный электрод 1, а замыкается через удаленный обратный электрод 26. В этом случае токи с частотой f₂ распространяются в большей области пространства и глубинность исследования возрастает.

От источника 10 ток с частотой f₃<f₂ поступает на экранные электроды 2, 3 и на экранные электроды 6, 7, замыкаясь также на удаленный электрод 26.

При этом глубинность исследования еще более возрастает за счет большей протяженности экранных электродов.

Режекторный фильтр 19 в выходной цепи источника 8 переменного тока частотой f₁ настраивается на частоты f₂ и f₃.

Режекторный фильтр 20 в выходной цепи источника 9 переменного тока частотой f₂ настраивается на частоты f₁ и f₃.

Режекторный фильтр 21 в выходной цепи источника 10 переменного тока частотой f₃ настраивается на частоты f₁, f₂. Это обеспечивает развязку зондовых систем по цепям питания разноглубинных зондов и устраняет их взаимовлияние.

Режекторные фильтры могут быть построены на основе последовательно включенных параллельных резонансных контуров, настроенных на соответствующие частоты.

Потенциал центрального электрода зондовых систем относительно электрода 27 сравнения приводится к необходимому уровню входным трансформатором 22 измерительного канала 11 потенциала, после чего суммарный сигнал поступает на полосовые фильтры 13, 14, 15 со средними частотами f₁, f₂, f₃, разделяется на соответствующие частотные составляющие ΔU_f1, ΔU_f2, ΔU_f3, которые подаются на входы измерительного преобразователя, преобразующего их в форму, удобную для дальнейшей обработки, например в сигналы постоянного тока в результате фазочувствительного выпрямления.

Аналогичным образом в измерительном канале 12 тока центрального электрода с помощью трансформатора 24, полосовых фильтров 16, 17, 18, со средними частотами f₁, f₂, f₃, измерительного преобразователя 25 осуществляется преобразование суммарного тока центрального электрода, в результате которого получают составляющие I_0f1, I_0f2, I_0f3.

На основе измеренных значений составляющих потенциала и тока центрального электрода определяют удельные электрические сопротивления ρ₁, ρ₂, ρ₃, по которым судят об электрических параметрах изучаемого геологического разреза.

Для надежного разделения частотных составляющих соседние частоты питающих токов должны отличаться в 2-2,5 раза, а наибольшая частота не должна превышать максимальной, обеспечивающей квазистационарность возбуждаемого поля. При диапазоне измерения удельных сопротивлений горных пород 10000 Ом·м и их относительной диэлектрической проницаемости ε=15 максимальная частота составляет около 1200 Гц.

Можно рекомендовать, например, следующий ряд частот f₁,=7000 Гц, f₂=400 Гц, f₃=160 Гц.

Полосовые фильтры 13, …, 18 могут быть выполнены на основе активных фильтров.

При работе устройства с трехжильным кабелем источники 8, 9, 10 переменных токов могут располагаться на земной поверхности, а при работе с одножильным - один из них.

Устройство может иметь один независимый источник переменного тока с наиболее высокой частотой, другие же рабочие частоты могут быть получены путем деления частоты.

Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют расширить функциональные возможности способа и устройства бокового каротажа за счет увеличения числа разноглубинных зондов, одновременно измеряющих удельные электрические сопротивления горных пород.

Разработана конструкторская документация, изготовлен опытный образец, испытания которого подтвердили правильность предлагаемых технических решений.

1. Способ бокового каротажа, при котором в скважине и окружающих горных породах возбуждают переменные электрические поля зондовыми системами k (k≥2) разноглубинных зондов бокового каротажа, при этом большему индексу k соответствует и большая радиальная глубинность исследования, измеряют токи и потенциалы центрального электрода зондовых систем, по которым судят об удельных электрических сопротивлениях горных пород, отличающийся тем, что питание зондовых систем k разноглубинных зондов осуществляют одновременно токами с частотами f₁, …, f_k, при этом разделяют суммарные сигналы токов и потенциалов центрального электрода на частотные составляющие, соответствующие 1, …, k разноглубинным зондам, причем частоты f₁, …, f_k, выбирают, исходя из соблюдения условий сохранения квазистационарности возбуждаемых электрических полей, и, в частности, соотношения f₁>f₂…>f_k.

2. Устройство для бокового каротажа, включающее зондовые системы разноглубинных зондов бокового каротажа, образованные центральным электродом, экранными электродами и обратными электродами, источник переменного тока с частотой f₁, измерительные каналы тока и потенциала центрального электрода зондовых систем, отличающееся тем, что дополнительно введены источники переменного тока с частотами f₂, f₃, во входные цепи измерительных каналов тока и потенциала центрального электрода зондовых систем введено по три полосовых фильтра, а в выходные цепи источников переменного тока - по режекторному фильтру, при этом ток от первого источника с частотой f₁ через первый режекторный фильтр подается на первую пару экранных электродов, электрически соединенных между собой, и соединенный с ними шунтом малого сопротивления центральный электрод зонда и замыкается на обратные электроды, ток от второго источника с частотой f₂<f₁ через второй режекторный фильтр поступает на первую пару экранных электродов и на центральный электрод, а замыкается через удаленный обратный электрод, ток от третьего источника с частотой f₃<f₂ через третий режекторный фильтр поступает на первую пару экранных электродов и на вторую пару экранных электродов, электрически соединенных между собой, и замыкается на удаленный электрод, причем первый режекторный фильтр настраивается на частоты f₂ и f₃, второй режекторный фильтр настраивается на частоты f₁ и f₃, третий настраивается на частоты f₁, f₂, в измерительных каналах тока и потенциала центрального электрода сигнал поступает на три полосовых фильтра со средними частотами f₁, f₂, f₃, разделяется на соответствующие частотные составляющие, которые подаются на входы измерительного преобразователя.