СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА ИЗ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF INDUCTIVE LOGGING FROM CASED WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые способ и устройство относятся к области геофизических исследований на переменном токе, возбуждаемом индуктивным способом в условиях обсаженных промысловых геологоразведочных скважин, и предназначены для определения удельного электрического сопротивления вмещающих горных пород в заколонном пространстве.
Область преимущественного применения - изучение геоэлектрических свойств пластов вмещающих горных пород за обсадной колонной скважины, продуктивных на углеводороды.
Известен способ электрического каротажа, предложенный Альпиным Л.М. в 1939 г. [1] и развитый в работах Кауфмана А.А. [2, 3], и реализующая этот способ аппаратура ИНТЕХ-НЭК (ОАО НЛП ГЕРС), г. Тверь, ЭКОС-31-7М (ООО НППГТ «Геофизика», г. Пятигорск), ЭКРАН (ЗАО ПГО «Тюменьпромгеофизика») [4] и CHFR (Schlumberger) [5], в котором сопротивление вмещающих пород за обсадной колонной скважины определяют, измеряя падения напряжения от протекающего по железной трубе скважины электрического тока при помощи измерительных электродов, находящихся в непосредственном контакте с внутренней поверхностью трубы.
Способу электрического каротажа присущи существенные недостатки.
8
-9
В способе электрического каротажа [1, 7] используются зонд, состоящий из токовых и измерительных электродов. В процессе проведения исследования прибор посредством скважинного питающего электрода создает в обсадной колонне ток, распространяющийся по колонне и замыкающийся на поверхностный электрод обратного знака. Поскольку типичное сопротивление пород примерно в 10 раз больше, чем сопротивление стальной обсадной колонны, то основная составляющая тока (более 99,99%) протекает по металлической колонне, в то время как небольшая часть (менее 0,01%) - по породам - шаговый потенциал именно этой компоненты тока измеряется несколькими (от 3 до 4) приемными электродами, контактирующими с обсадной колонной. Измеряемая разность потенциалов является чрезвычайно малой величиной и находится в диапазоне первых нановольт и их долей (10 В) [7].
Широкое применение этой технологии ограничено: во-первых, требованием хорошего контакта питающих и приемных электродов с колонной, что очень сложно добиться в скважинах старого фонда, когда имеются значительные нарушения целостности колонны, особенно - в интервале перфорации; во-вторых, возможностью проведения только поточечных измерений с фиксированием блока измерительных датчиков в стволе скважины до 15 минут на каждой точке, что существенно увеличивает время исследований. При этом не учитываются значения сопротивлений зоны цементации и ряда переходных зон на пути тока, протекающего от питающих электродов в скважине к электроду, расположенному на поверхности земли.
В способе [8], который относится к наземным методам индуктивной электроразведки, возбуждают исследуемую среду переменным магнитным полем, создаваемым током, протекающим в соосных горизонтальных незаземленных, соединенных встречно-последовательно петлях. Геометрические размеры и число витков петель выбирают таким образом, чтобы вертикальная составляющая магнитной индукции в точке их общего центра на нижней частоте была скомпенсирована (равна нулю). Измеряя величины реальной и мнимой компонент вертикальной составляющей магнитной индукции на ряде более высоких частот, по их частотным характеристикам определяют удельное сопротивление и параметры вертикального разреза.
Основное достоинство способа [8] заключается в определении удельного сопротивления и параметров вертикального разреза по результатам измерений, выполняемых в условиях уменьшенного (скомпенсированного) влияния индукционных токов в горизонтальном приповерхностном хорошо проводящем слое, расположенном непосредственно вблизи точки измерений, который существенно влияет на качество получаемых результатов измерений.
Наиболее близким техническим решением является способ индукционного каротажа [6], взятый нами в качестве способа-прототипа. В способе-прототипе [6] сопротивление вмещающих пород за обсадной колонной скважины определяют по результату вычитания (subtracting) двух измерений осевой составляющей магнитной индукции, создаваемых гармоническим током различной частоты в последовательно (alternatively) включаемых двух соосных генераторных индуктивных катушках, расположенных выше и ниже измерительной катушки на нескольких частотах диапазона от 0,001 Гц и 20 Гц (п. 2).
В способе-прототипе каждое из двух измерений осевой составляющей магнитной индукции, создаваемых гармоническим током в последовательно включаемых двух вертикальных генераторных катушках, содержит три слагаемых, убывающих по порядку величины: первое - поле, создаваемое током генераторной катушки в однородной среде (первичное магнитное поле тока), второе - поле от проводящей обсадной колонны и третье - поле от проводящих вмещающих пород. Вклад последнего слагаемого гораздо меньше слагаемого от проводящей обсадной колонны из-за высокой контрастности их удельных сопротивлений и существенно меньше первого слагаемого - первичного магнитного поля, создаваемого током генераторной катушки.
Существенным недостатком способа-прототипа является малая величина полезной (аномальной) части магнитного поля, содержащаяся в каждом из двух последовательных измерений поля от тока в генераторных катушках и в величине их разности. Определение величины удельного сопротивления пород по этому способу будет приводить к большим погрешностям.
Новизна предложенного способа усматривается в том, что измерения магнитного поля, создаваемого токами внешнего источника, осуществляют в условиях, когда влияние проводящей обсадной колонны скомпенсировано (близко к нулю).
Цель предлагаемого технического решения - повышение точности определения удельного сопротивления вмещающих пород в заколонном пространстве обсаженных скважин путем компенсации влияния проводящей обсадной колонны.
Поставленная цель достигается тем, что в способе индукционного каротажа возбуждают электромагнитное поле в окружающей среде при помощи переменного гармонического тока в системе двух соосных генераторных катушек со встречными моментами различной величины, перемещаемых по исследуемой скважине, а по величине противофазной току осевой составляющей магнитной индукции на ряде частот, измеряемой с помощью измерительной катушки, находящейся на различном расстоянии от генераторных катушек, производят определение величины удельного электрического сопротивления вмещающих горных пород.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.
Z1
Z2
Z1
Z2
Устройство содержит генераторное устройство 1, датчик тока 2, два излучателя - генераторная катушка 3 с моментом M и генераторная катушка 4 с моментом M, размещенные соосно и соединенные встречно-последовательно к генераторному устройству, измерительная катушка магнитной индукции 5, усилитель сигнала 6, аналого-цифровой фазочувствительный измеритель 7 и регистрирующее устройство 8. Моменты катушек 3 M и 4 M встречные и направлены параллельно оси скважины. Момент измерительной катушки магнитной индукции 5 направлен по оси скважины.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Электромагнитное поле в окружающем пространстве создают гармоническим током силой J и частотой ω, протекающим в генераторных катушках 3 и 4 со встречными моментами, параллельными оси скважины Z, с помощью генераторного устройства 1. Выходное напряжение с измерительной катушки 5 поступает через усилитель сигнала 6 в аналого-цифровой преобразователь 7, в котором с помощью сигнала датчика тока 2 осуществляется определение амплитуды и фазы осевой составляющей магнитной индукции и далее в устройство 8, регистрирующее величину противофазной току осевой составляющей магнитной индукции JmBz.
1
2
Z1
Z2
Расстояния L и L от генераторных катушек 3 и 4 до измерительной катушки 5 и величины их встречных моментов M и M подобраны таким образом, чтобы измеряемая величина противофазной току осевой составляющей магнитной индукции JmBz устройства, помещенного в обсадную проводящую колонну в непроводящей среде, была скомпенсирована (близка к нулю).
Компенсацию влияния проводящей обсадной колонны проводят при предварительной калибровке устройства, помещенного внутрь обсадной колонны, находящейся в воздухе, либо в интервал обсаженной скважины с высокоомными породами (с удельным сопротивлением пород >100 Ом⋅м). Помещая установку в исследуемую скважину с обсадной колонной, за счет индукции и возникновения вихревых токов во вмещающей проводящей среде измеряемая величина JmBz будет отличаться от нуля.
На фиг. 2-4 представлены материалы, поясняющие принцип реализации предлагаемого технического решения.
Z1
Z2
1
2
Z1
Z2
1
2
Для определения удельного электрического сопротивления пород в заколонном пространстве обсаженной скважины используется несимметричная установка из двух соосных генераторных катушек с различными моментами встречного направления M≠-M. В точке измерений N, расположенной на этой же оси на различном расстоянии L≠L от генераторных катушек, измеряется осевая составляющая магнитной индукции, противофазная току JmBz (фиг. 1). Моменты M и M, а также расстояния L и L подобраны так, чтобы измеряемая величина противофазной току осевой составляющей магнитной индукции JmBz устройства, помещенного внутрь обсадной колонны, находящейся в воздухе, была скомпенсирована (равна нулю).
1
2
-6
3
Параметры расчетов: сила тока J=1 А, радиусы катушек 3 и 4 0,05 м, разносы L=0,1 м и L=0,5 м, обсадная колонна: наружный диаметр D=0,15 м, удельное электрическое сопротивление ρ=5⋅10 Ом⋅м, толщина h=0,01 м (продольная проводимость S=h/ρ≈2⋅10 См); величины удельных электрических сопротивлений вмещающих горных пород ρ от 5 до 50 Ом⋅м (шифр кривых), пространство скважины, где расположен скважинный прибор, является диэлектриком (ρ=∞ Ом⋅м), диапазон частот ƒ=0,1÷10 кГц.
Различия амплитуд частотных кривых JmBz на фиг. 2 обусловлены различными удельными электрическими сопротивлениями вмещающих горных пород в заколонном пространстве обсаженной скважины. Частоты, соответствующие экстремальным величинам JmBz, определяются только характеристиками обсадной колонны: диаметром D, толщиной h и ее удельным электрическим сопротивлением. Как видно из фиг. 2, предлагаемый способ с использованием несимметричной установки позволяет определять удельное электрическое сопротивление вмещающих горных пород за обсадной колонной скважины по экстремальным значениям величин осевой составляющей магнитной индукции JmBz, измеряемой на ряде частот.
Z1
Z2
1
2
Для определения горизонтальных границ сред с различными удельными электрическими сопротивлениями через обсадную колонну скважины используется симметричная установка из двух соосных генераторных катушек с равными моментами встречного направления M=-M. В точке измерений N, расположенной на этой же оси на равном расстоянии L=L от генераторных катушек измеряется осевая составляющая магнитной индукции, противофазная току JmBz (фиг. 1). Особенностью поля, создаваемого симметричной питающей установкой, является отсутствие Bz составляющей магнитной индукции, измеряемой на оси скважины, от электрических неоднородностей в виде цилиндрически-неоднородных слоев из-за симметрии электромагнитного поля, поскольку магнитное поле в точке N, создаваемое током в первой катушке, скомпенсировано встречным магнитным полем, создаваемым током во второй катушке со встречным моментом.
0
1
z1
z2
1
0
При наличии горизонтальных границ раздела сред с различными удельными сопротивлениями перемещение установки по скважине из среды с удельным сопротивлением ρ в среду с удельным сопротивлением ρ приводит к раскомпенсации поля вблизи границы сред и появлению JmBz составляющей магнитного поля, величина и направление которой зависит от моментов M и M, частоты f, разноса 2L и контрастностей сред по удельному электрическому сопротивлению ρ/ρ.
1
2
z1
z2
0
1
2
На фиг. 3 представлены кривые JmBz по оси Z, пересекающей горизонтальный контакт пород с различными удельными сопротивлениями. Параметры установки: L=L=L=0,5 м, частоты f=0,7, 1 кГц, модули моментов контуров |Μ|=|Μ|=1 A*м; величины удельных электрических сопротивлений пород ρ=10 Ом⋅м, ρ=50 Ом⋅м. Из графиков, представленных на фиг. 3, следует, что контакт сред с различным удельным электрическим сопротивлением можно определить по положению точки минимума JmBz с учетом полуразноса установки L. При обратном соотношении удельных электрических сопротивлений сред кривые JmBz имеют обратные знаки, т.е. зеркально отраженный относительно границы раздела сред вид. Как видно из фиг. 3, предлагаемый способ с использованием симметричной питающей установки позволяет определять за обсадной колонной скважины горизонтальные границы горных пород, обладающие различными удельными электрическими сопротивлениями, по поведению осевой составляющей магнитной индукции JmBz, измеряемой вдоль оси скважины.
-7
4
На фиг. 4 представлены результаты физического моделирования с использованием тока в генераторной катушке диаметром D=90 мм и числом витков N=90 с измерением ЭДС в замкнутых проводящих контурах различного радиуса при помещении катушки внутрь металлической титановой трубы с удельным электрическим сопротивлением ρ=6,7⋅10 Ом⋅м диаметром 147 мм с толщиной стенки h=37 мм (штриховые линии) и без нее (сплошные линии). Из графиков фиг. 4 следует, что за проводящей трубой (штриховые линии) с высокой продольной проводимостью S=h/ρ≈5,5⋅10 См в замкнутых контурах радиусами 7,5; 15; 21; 28 и 35 см величина ЭДС на частотах f=1 и 5 кГц существенно ослабевает, по сравнению с ЭДС без трубы (сплошные линии), причем на верхней частоте - на порядок, но полностью не экранируется.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в повышении точности определения сопротивления вмещающих пород в заколонном пространстве обсаженных скважин.
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 информации
1. Альпин Л.М. Способ электрического каротажа обсаженных скважин. АС СССР №56026, 30.11.1939 г.
2. Kaufman Α.Α. The Electrical Field in a Borehole with a Casing. Geophysics 55, №1 (1990). P. 29-38.
3. Kaufman A.A. and Wightman W.E. A Transmission-Line Model for Electrical Logging Through Casing. Geophysics. №. 12, 1993. P. 1739-1747.
4. Аксельрод С.М. Измерение сопротивления пород через обсадную колонну (по материалам зарубежной литературы). НТВ «Каротажник», вып. 75, Тверь, 2000 г. С. 125-140.
5. Исследование призабойной зоны. Schlumberger. Нефтяное обозрение, 2002, том 7, №2.
6. Vail, III; William В. Methods and Apparatus For Induction Logging in Cased Boreholes. U.S. Patent No. 4748415. May 31, 1988.
7. Электрический каротаж через обсадную колонну. Опыт внедрения. Феофилов Д.Т., Булатов А.В., Шкварок И.Р. // Нефтегаз, вып. 1, 2008. http://www.neftepixel.ru/node/193.
8. Чистосердов Б.М., Человечков А.И., Байдиков С.В. Патент №2230341. Способ индукционного вертикального зондирования. БИ №16, 2004, 8 с.