СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН
PROCEDURE FOR ELECTRIC LOGGING IN CASED WELLS

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.
Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент РФ №2172006, опубл. 10.08.2001 [1]). Способ включает измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с обсадной колонной однополюсного четырехэлектродного зонда. Зонд выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов и трех токовых электродов, два токовых электрода расположены симметрично относительно среднего измерительного электрода, третий электрод расположен в середине на уровне среднего измерительного электрода и подключен к колонне в точке, не совмещенной с точкой контакта с колонной среднего измерительного электрода. В каждый из трех токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника. При каждой из трех подач тока измеряют потенциал электрического поля среднего измерительного электрода, первую разность потенциалов между двумя крайними измерительными электродами, вторую разность потенциалов. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.
Недостатком способа является проблематичность его практической реализации, а именно правильного измерения второй разности потенциалов при подаче тока в третий электрод, расположенный на уровне среднего измерительного электрода.
Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент РФ №2200967, опубл. 20.03.2003 [2]). Способ использует зонд, состоящий из эквидистантно расположенных вдоль колонны трех измерительных электродов и двух пар токовых, одна из которых расположена выше за пределами измерительных электродов, а другая - ниже. В колонну через каждую из обеих пар токовых электродов подают ток от двух расположенных за пределами измерительных цепей зонда и измерителей генераторов тока. При каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первую и вторую разности потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.
Недостатком способа является проблематичность его практической реализации: для получения достаточных для измерения амплитуд первой и второй разностей потенциала необходимы токовые диполи длиной сотни метров.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент РФ №2176802, опубл. 10.12.2001 [3]). В способе используется зонд, состоящий из трех эквидистантных измерительных электродов и двух расположенных за пределами зоны измерительных электродов, симметрично относительно среднего измерительного электрода, токовых электродов. В колонну через каждый из двух токовых электродов поочередно подается от одного и того же полюса источника электрический ток. При каждой из подач тока измеряется потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первая разность потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами и вторая разность потенциалов на том же участке колонны. Удельное электрическое сопротивление определяется по соответствующей формуле.
Существенными недостатками этого способа являются низкая скорость каротажа и ограниченный динамический диапазон измеряемого удельного электрического сопротивления горных пород.
В предложенном способе решаются задачи значительного повышения скорости каротажа и расширения диапазона измерения параметров пласта за счет использования, в отличие от прототипа, зонда, состоящего из пяти и более эквидистантных измерительных электродов и двух расположенных за пределами зоны измерительных электродов токовых электродов, для каждой эквидистантной тройки измерительных электродов которого при одном измерении выполняется отдельное определение удельного электрического сопротивления горных пород по формуле прототипа, и решения задачи уточнения результатов измерений самых высокоомных измеренных с наибольшими погрешностями пластов.
Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, включающем подачу электрических токов, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи многоэлектродного зонда второй разности, выполненного согласно изобретению в виде пяти и более эквидистантных измерительных электродов и двух токовых, верхнего и нижнего, которые расположены за пределами измерительных электродов, используют возможность определения удельного электрического сопротивления горных пород для любой эквидистантной тройки измерительных электродов с несимметричным расположением токовых электродов относительно центрального измерительного электрода, в результате этого становится возможным использование в одном приборе при одном измерении нескольких, с различными по величине и расположению измерительными базами, зондов прототипа с последующим, после выполнения измерений, решением задачи уточнения результата измерений самого высокоомного интервала.
Сущность изобретения
На фиг.1 приведен рисунок, поясняющий физический принцип протекания тока, поданного на обсадную колонну, где 1 - источник тока питания колонны; 2 - обратный токовый электрод В, хорошо заземленный на некотором удалении от колонны; 3 - токовый электрод А, с помощью которого ток питания подается на колонну на заданной глубине; 4 - обсадная металлическая колонна. Источник питания колонны 1 включен между токовыми электродами 2 (В) и 3 (А). Ток, втекая в колонну 4 через электрод 3, растекается вверх и вниз по колонне в пропорциях, обусловленных суммарными сопротивлениями масс горных пород, окружающих скважину выше и ниже токового электрода 3. В результате этого на колонне 4 образуется электрический потенциал, отличный от нуля. Из-за возникновения разности потенциалов между колонной и окружающими горными породами появляются токи утечки, пропорциональные разности возникшего между колонной и породами потенциала и обратно пропорциональные удельному электрическому сопротивлению горных пород (УЭС гп). Так как погонное сопротивление колонны всегда существенно, на несколько порядков ниже УЭС гп, то, во-первых, утечки тока в горные породы незначительны относительно общей величины тока, и прежде чем весь ток уйдет в породу, он растекается вверх и вниз по колонне относительно электрода 3 на сотни метров, во-вторых, согласно теории электричества ток, истекая из колонны в горные породы, испытывает сильное преломление, в результате которого втекает в горные породы практически перпендикулярно колонне. Этот процесс изображен на фиг.1 с помощью условных нитей тока J и графика распределения потенциала колонны U с глубиной при подаче тока в электрод 3. Понимая этот физический процесс, можно утверждать, что заявленное в [3] симметричное расположение токовых электродов относительно измерительных является избыточным требованием - утечку тока в пласт можно измерять на различных расстояниях от токовых электродов, причем первые десятки метров от токового электрода потенциал колонны, а вместе с ним и величина тока утечки уменьшаются незначительно, позволяя вести практические измерения второй разности потенциала. Следовательно, можно построить зонд, который одновременно производит измерения на различно расположенных по глубине и различных по величинам измерительных баз тройках эквидистантных измерительных электродов; при этом расчет УЭС гп по формуле [3] производить для каждой тройки измерительных электродов отдельно.
На фиг.2 изображен зонд, состоящий из пяти эквидистантно расположенных измерительных электродов M1, М2, М3, М4, М5 и двух расположенных за пределами зоны измерительных электродов токовых электродов A1, A2. Симметрия токовых электродов относительно среднего измерительного электрода М3 не обязательна для конструкции прибора, а является всего лишь условием оптимального расположения электродов. Способы измерения первых и вторых разностей потенциала, а вместе с ними компоновка и количество измерительных каналов могут меняться, на схеме изображен один из возможных вариантов; кроме того, на схеме зонда не показано измерение потенциала колонны, которое может производиться на любом измерительном электроде. Расчет значений УЭС гп производится отдельно для троек измерительных электродов: М1М2М3, М2М3М4, М3М4М5, М1М3М5, при этом первые и вторые разности потенциалов получают как суммы и разности выполненных измерений:
- для М1М2М3:
M1M3
M1M2
M2M3
M1M3
M1M2
M2M3
2
ΔU=ΔU+ΔU, ΔU=ΔU-ΔU;
- для М2М3М4:
M2M4
M2M3
M3M4
M2M4
M2M3
M3M4
2
ΔU=ΔU+ΔU, ΔU=ΔU-ΔU;
- для М3М4М5:
M3M5
M3M4
M4M5
M3M5
M3M4
M4M5
2
ΔU=ΔU+ΔU, ΔU=ΔU-ΔU;
- для М1М3М5:
M1M5
M1M3
M3M5
M1M5
M1M3
M3M5
2
ΔU=ΔU+ΔU, ΔU=ΔU-ΔU,
где
M1M2
M2M3
M3M4
M4M5
M1M3
M2M4
M3M5
ΔU, ΔU, ΔU, ΔU, ΔU, ΔU, ΔU - первые разности потенциала между электродами М1М2, М2М3, М3М4, М4М5, М1М3, М2М4 и М3М5 соответственно;
2
2
2
M1M3
M2M4
M3M5
ΔU, ΔU, ΔU - вторые разности потенциала, измеренные между электродами М1М3, М2М4 и М3М5 соответственно.
Размер измерительной базы M1M3M5 в два раза превосходит размеры других измерительных баз, поэтому, при одинаковых для всех троек измерительных электродов УЭС гп и погонном сопротивлении колонны, величина второй разности потенциала для этого зонда будет практически в четыре раза выше, чем для других зондов, следовательно, будет выше и точность результата измерения. Зная ошибки измерений аппаратуры в различных скважинных условиях (выполнив калибровку аппаратуры), можно по показаниям большого зонда M1M3M5 и двух малых выполнять корректировку результата третьего малого зонда, измерившего УЭС наиболее высокоомного пласта, по формуле:
где
M1M5
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами M1 и М5;
M1M3
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами M1 и М3;
M2M4
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами М2 и М4;
M3M5
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами М3 и М5.
M3
Потенциалы в расчетах УЭС гп каждого зонда определяются для средних измерительных электродов. Например, если произведено измерение потенциала на электроде М3 (U) при подаче тока в колонну через токовые электроды А1 и А2, тогда:
- для М1М2М3: потенциал электрода М2 при подаче тока через токовый электрод А1
M2
A1
M3
A1
M2M3
A1
U(I)=U(I)+ΔU(I),
а при подаче тока через токовый электрод А2
M2
A2
M3
A2
M2M3
A2
U(I)=U(I)-ΔU(I),
где
M2
A1
M3
A1
U(I), U(I) - потенциалы электродов М2 и М3 соответственно при подаче тока через токовый электрод А1;
M2
A2
M3
A2
U(I), U(I) - потенциалы электродов М2 и М3 соответственно при подаче тока через токовый электрод А2;
M2M3
A1
M2M3
A2
ΔU(I), ΔU(I) - разности потенциалов между электродами М2 и М3 при подачах тока через токовые электроды А1 и А2 соответственно;
- для М3М4М5: потенциал электрода М4 при подаче тока через токовый электрод А1
M4
A1
M3
A1
M3M4
A1
U(I)=U(I)-ΔU(I),
а при подаче тока через токовый электрод А2
U
I
U
I
ΔU
(I
M4
A2
M3
A2
M3M4
A2
()=()+);
M3
A1
M4
A1
где U(I), U(I) - потенциалы электродов М3 и М4 соответственно при подаче тока через токовый электрод А1;
M3
A2
M4
A2
U(I), U(I) - потенциалы электродов М3 и М4 соответственно при подаче тока через токовый электрод А2;
M3M4
A1
M3M4
A2
ΔU(I), ΔU(I) - разности потенциалов между электродами М3 и М4 при подачах тока через токовые электроды А1 и А2 соответственно;
- для М2М3М4 и для М1М3М5 измерительный электрод М3 является центральным.
Следует отметить, что вносимые в измерения потенциала электрода М3 поправки являются незначительными и существенного влияния на результаты измерений не оказывают.
На фиг.3 изображен зонд, состоящий из семи эквидистантно расположенных измерительных электродов M1, М2, М3, М4, М5, М6, М7 и двух расположенных за пределами зоны измерительных электродов токовых электродов A1, A2. Все сказанное выше для зонда с пятью измерительными электродами справедливо и для зонда с семью измерительными электродами. При увеличении количества измерительных электродов появляется больше возможностей их комплексирования для увеличения объема получаемой в результате измерений информации, что повышает скорость каротажа, расширяет диапазон измеряемых УЭС гп и повышает качество измерений.
Общая формула для решения задачи уточнения результата измерений самого высокоомного интервала имеет вид:
где
n - общее количество измерительных электродов зонда;
M1Mn
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами M1 и Mn;
M1M3
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами M1 и М3;
M2M4
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами М2 и М4;
M(n-2)Mn
ρ - удельное электрическое сопротивление, определенное для участка между измерительными электродами М(n-2) и Mn.
Следует отметить, что для метода электрического каротажа обсаженных скважин значительной практической проблемой является обеспечение надежного электрического контакта измерительных электродов с обсадной колонной; увеличение же числа измерителей разностей потенциала и передача полученной информации на поверхность не является сложной технической проблемой.
По сравнению с прототипом [3], предлагаемый способ позволяет повысить скорость каротажа и расширить диапазон измерения удельного сопротивления пластов горных пород.
Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважин даст значительный экономический эффект, так как позволит совершенствовать метод и аппаратуру электрического каротажа обсаженных скважин.