Способ определения расстояния до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями для геонавигации ствола горизонтальных скважин

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований направленных скважин в процессе бурения и может быть использовано при проводке стволов скважин вдоль пластов, продуктивных на углеводороды. Область преимущественного применения - бурение горизонтальных геологоразведочных скважин. Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение дальности определения границ горных пород с различными удельными электрическими сопротивлениями при навигации ствола скважины. Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе индукционного каротажа индукционные токи во вмещающих горных породах возбуждают с помощью генераторной установки, создающей вращающееся гармоническое магнитное поле, токами, равными по амплитуде, но находящимися в противофазе, в системе двух генераторных катушек с равными по модулю моментами, ориентированными ортогонально друг другу и оси скважины и перемещаемыми по исследуемой скважине. Величины мнимых квадратур горизонтальных составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y измеряют с помощью двух измерительных катушек, расположенных на одинаковом расстоянии L от генераторных катушек, и по отношению мнимых квадратур горизонтальных составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y определяют расстояние до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями. 3 ил.

 

Предлагаемое решение относится к области геофизических исследований направленных скважин в процессе бурения и может быть использовано при проводке стволов скважин вдоль пластов, продуктивных на углеводороды, во избежание неконтролируемого вскрытия водоносных слоев подошвы коллектора или глинистой кровли.

Известен способ навигации горизонтальных скважин, основанный на возбуждении импульсного электромагнитного поля с помощью электрического диполя, питаемого импульсным разнополярным током. Измерение магнитных полей проводят в период паузы между импульсами тока индуктивными датчиками, ориентированными в трех ортогональных направлениях. По анализу кривых спада магнитных полей формируют команды на управление положением отклонителя бурильного инструмента. Измерительный модуль выполнен в виде немагнитной трубы с расположенными на концах питающими электродами с индуктивными датчиками, расположенными внутри трубы [1]. Основным недостатком способа является применение в качестве источника питающего поля электрического диполя с системой гальванических питающих электродов, питаемых импульсным током. Использование гальванических контактов в скважинах старого фонда в условиях корродированной и поврежденной в интервале перфорации обсадной колонны не дает возможности добиться необходимой идентичности условий возбуждения в каждой точке наблюдения.

Известен способ навигации горизонтальных скважин, включающий проведение высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) с измерением не менее пяти разностей фаз на пяти различных разносах (длинах) зонда, выделение коллекторов и техногенных электрических неоднородностей. По изменению разности фаз судят о точности проводки скважины по пласту-коллектору [2]. Способ пригоден для навигации наклонно-направленных скважин в продуктивных пластах большой мощности и неэффективен в пластах малой мощности.

Известен способ индукционного каротажа скважин в процессе бурения, который может быть использован для целей навигации ствола скважины. Способ включает пропускание импульсов тока через генераторную катушку, регистрацию ЭДС переходных процессов в измерительной катушке. Катушки размещены соосно на немагнитной металлической трубе, встроенной в компоновку низа бурильной колонны, источник импульсного тока, соединенный с генераторной катушкой, измерительная катушка соединена с устройством обработки результатов [3].

Основным недостатком способов [2, 3] является малый радиус исследований, что существенно ограничивает область их применения.

Известен способ каротажа скважин в процессе бурения, который может быть использован для целей геонавигации ствола скважины, включающий определение удельного электрического сопротивления пород на разных радиусах измерения, путем изменения расстояния между генераторными и приемной катушками. По данным о сопротивлениях пород на разных радиусах измерений, определяют расстояния до границ пласта и осуществляют изменение направления бурения в случае отличающихся друг от друга значений сопротивления [4].

В индукционных способах каротажа скважин, используемым в для геонавигации ствола скважин [2, 3], применяется предложенная Г. Доллем установка с соосным расположением генераторных и измерительных катушек с гармоническим или импульсным режимом изменения тока источника [5]. Сопротивление вмещающих пород определяют по величинам индуцируемого токами вторичного магнитного поля или ЭДС спада, измеряемых приемной катушкой, соосной генераторной.

Наиболее близким к предлагаемому способу техническим решением является способ [6], взятый нами в качестве прототипа.

В способе - прототипе электромагнитное поле в окружающем пространстве возбуждают гармоническими токами, равными по амплитуде и находящихся в противофазе в системе двух генераторных катушек с равными моментами, ориентированными ортогонально друг другу и оси скважины и перемещаемых по исследуемой скважине. Величина радиального момента общей системы двух генераторных катушек в течение одного периода остается постоянной, а направление момента изменяется по азимуту, описывая окружность с круговой частотой ω. По значениям квадратур Re, Im и фаз двух измеряемых составляющих магнитной индукции, ортогональных оси скважины, определяют величины удельного электрического сопротивления горных пород.

Способ-прототип с радиальным магнитным полем обладает вдвое большим радиусом исследования пород в окрестности скважины, по сравнению со способами [2, 3] с частотным или импульсным режимами изменения тока в источнике, поскольку магнитное поле магнитного диполя в квазистационарном случае на полярной оси вдвое превосходит по величине магнитное поле в экваториальной плоскости [7], используемое в способах индукционного каротажа с соосным расположением генераторных и измерительных катушек.

Способ-прототип позволяет определять удельное сопротивление вмещающих пород в случаях радиально-неоднородных сред или сред, пересекаемых скважиной по направлению, близкому к нормали.

Цель предполагаемого технического решения - увеличение дальности определения границ горных пород с различными удельными электрическими сопротивлениями при навигации ствола геологоразведочной скважины.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе индукционного каротажа индукционные токи во вмещающих горных породах возбуждают с помощью генераторной установки, создающей вращающееся гармоническое магнитное поле, токами частотой ω, равными по амплитуде, но находящимися противофазе, в системе двух генераторных катушек с равными по модулю моментами M_X и M_Y, ориентированными ортогонально друг другу и оси скважины Z и перемещаемых по исследуемой скважине, описанной в патенте [6]. Величины мнимых квадратур горизонтальных составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y измеряют с помощью двух измерительных катушек, расположенных на одинаковом расстоянии L от генераторных катушек, и по соотношению мнимых квадратур горизонтальных составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y определяют расстояние до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена модель среды и индукционной установки, создающей вращающееся магнитное поле, с магнитными диполями с моментами M_X, My.

На фиг. 2 представлены эллипсы величин составляющих магнитного поля ImB_x и ImB_y за период изменения тока в источнике при контрастности сред ρ₂/ρ₁=4 в зависимости от расстояния до границы сред h в долях разноса L (шифр кривых).

На фиг. 3 приведены зависимости отношения составляющих магнитного поля ImB_x/ImB_y от расстояния до границы сред h в долях разноса L=2 м на частоте ƒ=1 кГц при различной контрастности сред по удельному электрическому сопротивлению ρ₂/ρ₁ (шифр кривых).

В однородной проводящей среде или в цилиндрически-симметричной неоднородной среде амплитуды составляющих магнитной индукции B_x и B_y, создаваемых магнитными диполями с моментами M_X и M_Y на одинаковом расстоянии L, равны [8]. За один период времени изменения тока в источниках вектор измеряемого магнитного поля описывает окружность.

При наличии вблизи установки в направлении оси Y границы раздела сред с различными удельными электрическими сопротивлениями ρ₁ и ρ₂, за

один период времени изменения тока измеряемое магнитное поле описывает эллипс. В начале периода t=0 и через половину периода t=Т/2 величина B_x - составляющей равна величине магнитного поля, создаваемого магнитным диполем с моментом M_X, параллельным границе раздела сред. Во времена t=Т/4 и t=3Т/4 величина B_y - составляющей равна величине магнитного поля, создаваемого магнитным диполем с моментом M_Y, ортогональным границе раздела сред.

Отношение амплитуд составляющих магнитного поля B_y/B_x вблизи границы сред зависит от контрастностей сред по удельному электрическому сопротивлению ρ₁/ρ₂, используемой частоты тока ƒ, расстояния от границы сред до установки h и разноса установки L.

Для определения расстояния h от индукционной установки до границы сред, обладающих различными известными удельными электрическими сопротивлениями ρ₁ и ρ₂, с помощью предложенного способа выполнено математическое моделирование для установки с магнитными диполями, моменты которых ортогональны и параллельны границе раздела сред [7].

Для основных нефтенасыщенных коллекторов (водонасыщенная подошва, глинистая кровля) удельное электрическое сопротивление пород распределяется следующим образом (к примеру): удельное сопротивление глинистой кровли 3÷6 Ом⋅м, удельное сопротивление пород коллектора 10÷20 Ом⋅м. Фактически породы нефтенасыщенного коллектора являются контрастной зоной по значениям удельного электрического сопротивления. Определяемые отношения измеряемых величин составляющих магнитного поля позволяют фиксировать геометрическое положение ствола скважины относительно системы кровля - коллектор при условии, что петрофизические свойства пород залежи и вмещающих отложений известны заранее.

Эллипсы составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y, поперечных оси скважины, создаваемых магнитными диполями с равными по модулю моментами M_X=M_Y=1 А*м² частотой ƒ=1 кГц, за один период изменения

тока при контрастности сред ρ₂/ρ₁=4 в зависимости от расстояния до границы сред h в долях разноса L приведены на фиг. 2. В вещественных квадратурах составляющих магнитной индукции ReB_x и ReB_y зависимость от расстояния до границы сред существенно меньше.

Зависимости отношения составляющих магнитного поля ImB_x/ImB_y от расстояния до границы сред h в долях разноса L на частоте ƒ=1 кГц при различной контрастности сред по удельному электрическому сопротивлению ρ₂/ρ₁ приведены на фиг. 3..

Как видно из фиг. 2 и 3, предлагаемый способ с использованием питающей установки, создающей вращающееся гармоническое магнитное поле, позволяет определять расстояние до границы горных пород, обладающих различными удельными электрическими сопротивлениями, по отношению горизонтальных составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y, измеряемых вдоль оси скважины.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в увеличении радиуса исследуемой зоны и определении границы горных пород, залегающих вблизи бурящейся скважины и обладающих отличающимся удельными электрическими сопротивлениями.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом. Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств.

Источники, использованные при составлении заявки:

1. Теплухин В.К. Способ геонавигации горизонтальных скважин и устройство для его реализации. Патент РФ №2395823. 27.07.2010. Бюл. №21.

2. Антонов Ю.Н., Эпов М.И., Глебочева Н.К., Медведев Н.Я., Ихсеанов

Р.К. Способ геонавигации горизонтальных скважин. Патент РФ №2230343. 10.08.2003. Бюл. №22.

3. Потапов А.П., Судничников В.Г., Чупров В.П., Бельков А.В., Судничков А.В. Способ индукционного каротажа скважин в процессе бурения. Патент РФ №2466431. 10.11.2012. Бюл. №31.

4. Seydoux J, Legendre Е, Taherian R. Look ahead logging system. Patent WO 2009029517 A2. 05.03.2009.

5. Долль Г. Теория индукционного метода исследования разрезов скважин и его применение в скважинах, пробуренных с глинистым раствором на нефти. // Вопросы промысловой геофизики. - М.: Гостоптехиздат, 1957. С. 252-274.

6. Ратушняк А.Н., Теплухин В.К. Способ индукционного каротажа. Патент РФ №2575802.20.02.2016 Бюл. №5.

7. Бурсиан В.Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. - Л.: Недра, 1972. 368 с.

8. Ратушняк А.Н., Байдиков С.В., Теплухин В.К. Индукционный каротаж с радиальным источником магнитного поля // Уральский геофизический вестник. 2016. №2 (28). С. 61-70.

Способ определения расстояния до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями для геонавигации ствола горизонтальных скважин, заключающийся в возбуждении индукционных токов в пространстве магнитным полем от гармонических токов, равных по амплитуде, но находящихся в противофазе, в системе двух совмещенных генераторных катушек с равными моментами, ориентированными ортогонально друг другу и направлению перемещения, и измерении составляющих магнитной индукции, совпадающих с направлениями моментов генераторных катушек, и регистрации поперечных составляющих магнитной индукции в двух приемных измерительных катушках, отличающийся тем, что измерения мнимых квадратур двух составляющих магнитной индукции ImB_x и ImB_y выполняют на одинаковом расстоянии от генераторных катушек и по их отношению определяют расстояние до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями.