Способ электромагнитного изопараметрического каротажного зондирования

Изобретение относится к области геофизических исследований электрических свойств горных пород на основе изопараметрического зондирования и может быть использовано для определения электрофизических параметров пластов-коллекторов при бурении скважин на нефть и газ. Сущность: способ заключается в применении набора зондов с последовательным увеличением их длины L_N и уменьшении частоты f_N согласно электродинамическому изопараметру, равному произведению , где N - порядковый номер зонда 1; 2; …N-1; N, и измерении фазы модуля амплитуды гармонического колебания ЭДС в приемной катушке относительно синхронного колебания ЭДС в излучающей катушке зонда. Эти операции выполняют в каждом зонде по мере последовательного увеличения их длины. Технический результат: повышение чувствительности и разрешающей радиальной способности по данным информации об измененных электрофизических свойствах коллекторов и фиксации электрофизических неоднородностей, возникающих в ранние времена бурения, когда происходит неглубокое проникновение воды из скважины с признаками возникновения окаймляющей зоны. 2 ил.

 

Изобретение относится к области геофизических исследований электрических свойств горных пород на основе изопараметрического зондирования и может быть использовано для определения электрофизических параметров пластов-коллекторов при бурении скважин на нефть и газ.

Известны способы и устройства высокочастотного индукционного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) и высокочастотного электромагнитного каротажного изопараметрического зондирования (ВЭМКИЗ), предназначенные для исследования пространственного распределения удельного электрического сопротивления пород, вскрытых скважинами, бурящимися на нефть и газ.

Известные устройства для каротажного электромагнитного изопараметрического зондирования основаны на измерении разности фаз (авт.св. СССР №1004940, МКИ G01V 3/18, опубл. 15.03.1983; патент РФ №2063053, МПК G01V 3/18, опубл. 27.06. 1996).

Известен способ электромагнитного каротажного изопараметрического зондирования по патенту РФ №2365946, МПК G01V 3/28, опубл. 27.08.2009, основанный на регистрации между смежными зондами различной длины L_N>L_N-1 и различной частоты f_N<f_N-1 несинхронных разностей фаз между измерительными катушками или . В выражениях для разностей фаз, вычитаемая фаза или уменьшаемая фаза умножаются на коэффициент равный отношению частот больший единицы или меньший единицы соответственно, для того, чтобы привести (скорректировать) фазы различных гармонических колебаний к единому отсчету времени. При этом технические параметры всех смежных зондов подчиняют электродинамическому изопараметру, равному произведению .

Известные способы и устройства на основе измерения разности фаз исключают техногенные электрофизические параметры скважины и зоны проникновения. Действительно, разность фаз обладает фокусировкой. Под фокусировкой понимается технический способ исключения влияния электрических свойств части среды, находящейся около зондов. Это исключение возможно при получении разности фаз, поскольку отклики от ближних участков среды имеют равные значения аргументов в уменьшаемой фазе и в вычитаемой фазе. Таким образом, разностная величина дает информацию об электрическом свойстве пласта, исключая техногенные изменения в окрестности скважины, что, в итоге, снижает радиальную разрешающую способность зондирования. Однако исключение информации об изменениях удельного сопротивления в окрестности скважины лишает возможность диагностировать характер насыщения коллектора на ранней стадии вытеснения пластовых флюидов фильтратом бурового раствора. Отметим, в частности, что вытеснение нефти сопровождается замещением порового пространства водой. Это замещение приводит к понижению УЭС пласта в окрестности скважины, что является прямым признаком нефтеносности пласта-коллектора. В предлагаемом способе, измеряемая величина, а именно: фаза модуля амплитуды ЭДС, не имеет фокусирующего свойства. Фаза модуля амплитуды ЭДС, измеренная относительно источника, охватывает весь объем среды вокруг зонда и несет информацию обо всех изменениях электрических свойств в окрестности зонда, включая электрофизические свойства скважины. Электрофизические параметры скважины (диаметр и свойства бурового раствора) известны и легко учитываются при интерпретации данных измерения.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности к электрофизическим параметрам пласта-коллектора, включая зону техногенных изменений около скважины, исследование которой имеет большое практическое значение, например, при измерениях в процессе бурения. При этом задача зондирования решается набором зондов с электродинамическим подобием и регистрацией фазовых характеристик модуля амплитуды ЭДС в приемной (измерительной) катушке относительно синхронной по частоте ЭДС в излучающей (генераторной) катушке.

Техническим результатом является повышение чувствительности и радиальной разрешающей способности путем получения полной информации об измененных электрофизических свойствах коллекторов, включая параметры скважины. При этом конструкция зондового комплекса упрощается за счет уменьшения измерительных элементов вдвое.

Технический результат достигается тем, что в способе электромагнитного изопараметрического каротажного зондирования применяют набор 2-катушечных зондов с последовательным увеличением их длины L_N и уменьшением частоты f_N в соответствии с электродинамическим изопараметром, равном произведению , где N - порядковый номер зонда - 1; 2; …N-1; N, и измеряют каждым зондом фазу модуля амплитуды гармонического колебания ЭДС в приемной катушке относительно синхронного колебания ЭДС в излучающей катушке и выполняют эту операцию по мере последовательного увеличения длин зондов.

Цикл измерений в процессе каротажа выполняется последовательно всеми зондами по мере увеличения их длины. Один цикл измерений производится за 0,1 секунды и повторяется непрерывно при производстве каротажа. При стандартной скорости подъема скважинного прибора, равной 2000 м/ч, все зонды производят измерения на интервале глубины геологического разреза, равной 5,5 см. Этим достигается высокая разрешающая способность расчленения геологического разреза, поскольку получаемая дискретность дает непрерывность диаграмм каротажа в стандартных масштабах, например, 1/200.

Способы исключения техногенных изменений свойств коллектора около скважины известными техническими решениями можно рассмотреть аналитическим путем на примере функциональной связи магнитной напряженности поля H_N и H_N-1 вертикального магнитного диполя (излучателя поля) в модельной среде типа «цилиндрическая область в пласте коллекторе». Электрофизические параметры цилиндрической области отличаются от пласта и являются помехой для оценки УЭС пласта. С этой целью используют, по меньшей мере, два измерения гармонических колебаний в двух приемных катушках с разными расстояниями до излучателей поля. Временной сдвиг гармонических колебаний ЭДС между приемными катушками, определяемый как разность фаз, является целью измерений известными способами. Магнитные компоненты (Д.С. Даев, 1974), пропорциональные с ЭДС в приемных катушках, при определенных условиях (высокая частота, большая длина зонда), можно представить в виде:

и - компоненты поля вертикального магнитного диполя в однородной среде с параметрами пласта;

f - гармоническая частота поля;

µ - магнитная проницаемость среды;

σ_n - электропроводность пласта;

σ_r - электропроводность цилиндрической неоднородности;

r - радиус неоднородности;

L - длины зондов (расстояния между генераторными и измерительными элементами);

- модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка, отвечающая за параметры цилиндрической неоднородности.

Величины H_N и H_N-1, определяемые выражениями (1) для зондов различной длины, можно представить в виде:

где фазы зондов L_N и L_N-1 определяются суммой аргументов, включающих электрофизические параметры однородного пласта и неоднородности:

Определяя разность фаз между гармоническими колебаниями в измерительных элементах, имеем

Из результирующего выражения (5) следует, что разность фаз, измеряемая между колебаниями ЭДС в измерительных катушках зондов разной длины, не зависит от электрофизических свойств цилиндрической неоднородности.

Отсюда следует, что в известном решении измеряемая фаза в не обладает фокусирующими свойствами и, в соответствии с уравнением (3) или (4), зависит от электропроводности пласта σ_n и техногенной электропроводности σ_r в следующем виде:

В предлагаемом способе фаза гармонических колебаний ЭДС в приемной катушке N-то зонда измеряется относительно синхронного по частоте гармонического колебания ЭДС в излучающей катушке. По мере увеличения электропроводности исследуемой среды происходит увеличение фазы и уменьшение модуля амплитуды ЭДС в приемной катушке. Учитывая необходимость однозначного представления фазовой характеристики в диапазоне высоких значений электропроводности, предельной величиной для фазы является значение равное π/2-радиан.

Реализацию более высокой чувствительности предлагаемого способа можно продемонстрировать на модели однородной среды (А.А. Кауфман, 1965).

Напряженность электрического поля в точке размещения приемной катушки на оси излучателя поля в электропроводящей и электрически поляризующейся среде имеет вид:

Где ω=2πf - круговая и циклическая частота (радиан и Гц);

µ - магнитная проницаемость среды (Гн/м) принята равной вакууму [4π10^-7 (Гн/м)].

М_Г - магнитный момент излучающей катушки;

L - длина зонда, м;

σ - удельная электропроводность (Сим/м);

ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость (Ф/м).

В квазистационарном электромагнитном поле (индукционный каротаж) токи проводимости преобладают над токами смещения (I_пр>>I_см при σ>>ωε), и тогда

Для реальной и мнимой частей поля из (7) имеем выражения:

Модуль электрической компоненты поля в плоскости ортогональной оси зонда на расстоянии L равен

Фаза модуля электрической компоненты относительно тока в генераторной катушке зонда имеет следующий вид:

В выражениях (9), (10), (11), (12) безразмерный параметрр, с учетом (8), равен:

Технические параметры N-ых зондов, представленные произведением , позволяют рассматривать уравнения (9), (10), (11), (12) зависящими только от удельной электропроводности, если магнитные свойства пренебрежимо малы. Следовательно, фиксированное значение безразмерного параметра p согласно равенству (13) и фиг.2, определяет конкретное значение электропроводности однородной изотропной среды. При этом отклики от среды приходятся на различные радиальные удаления от зондов различной длины. При наличии изменения электропроводности в радиальном направлении, например, за счет вытеснения пластовых флюидов фильтратом воды из скважины, зонды различной длины в составе набора, несут информацию об изменении электрических свойств, вызванных техногенными процессами бурения.

На фиг.1 показаны графики чувствительности к удельному электрическому сопротивлению однородной среды различными методами измерения электромагнитных характеристик, а именно: разности фаз (Δφ) и фазы (φ), измерение которой выполняют по предлагаемому способу. Из приведенных графиков на фиг.1 следует, что чувствительность фазы к удельному сопротивлению выше, чем для известных решений, по меньшей мере, в два и более раз в диапазоне измерения удельного сопротивления среды.

На фиг.2 представлен график зависимости реальной и мнимой компонент поля от параметра p гласно уравнениям (9) и (10). Модуль амплитуды определяется в координатах реальной и мнимой компонент поля в соответствии с уравнением (11). Фаза модуля амплитуды ЭДС в приемной катушке, измеряемая относительно ЭДС в излучающей катушке описывается выражением (12) и складывается из постоянной фазы равной (π/2)-радиан, когда зонд находится в воздухе, и фазы, зависящей от удельной электропроводности среды. Любая точка пересечения вектора амплитуды с графиком соответствует определенному значению удельной электропроводности однородной среды. В качестве примера, на график фиг.2 нанесены численные значения параметра p по мере увеличения фазового угла. Как видно, значению p=3,81 соответствует величина фазового угла от проводящей среды, равная π-радиан. Модуль амплитуды и его фаза, как следует из графика на фиг.2, связаны с реальными и мнимыми компонентами поля в однородной изотропной среде в широком диапазоне электропроводности среды.

Верхний предел измерения электропроводности ограничен углом в π-радиан от величины ЭДС прямого поля в воздухе в измерительной катушке. При этом значение максимальной электропроводности оценивается для конкретного значения электродинамического изопараметра при известном значении минимальной величины удельного сопротивления среды.

Нижний предел измерения удельной электропроводности ограничен минимальной величиной фазового угла относительно прямого поля с максимальным удельным сопротивлением исследуемой среды и определяется погрешностью измерений малых фазовых углов.

В предлагаемом способе использование 2-катушечных зондов позволяет сократить количество измерительных катушек вдвое, по сравнению с известными системами измерения разностей фаз.

Способ электромагнитного изопараметрического каротажного зондирования, в котором применяют набор зондов с последовательным увеличением их длины L_N и уменьшением частоты f_N согласно электродинамическому изопараметру, равному произведению , где N - порядковый номер зонда 1; 2; …N-1; N, отличающийся тем, что измеряют фазы между синхронными гармоническими колебаниями ЭДС в измерительной катушке относительно колебания ЭДС в генераторной катушке зонда и выполняют эти операции в каждом зонде по мере последовательного увеличения их длины.