СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН
ELECTRICAL CASED WELL LOGGING METHOD

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 [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 [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 [3]. В способе используют 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 подают от одного и того же полюса источника электрический ток. При каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первую разность потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами и вторую разность потенциалов на том же участке колонны. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.
Существенным недостатком этого способа является значительная зависимость измеряемого удельного электрического сопротивления горных пород (УЭСгп) от систематических мультипликативных погрешностей измерителей разностей потенциала электрического поля, что требует выполнения проблематичных при практической реализации калибровок измерителей столь малых величин (единицы нановольт), в том числе и учета их температурных погрешностей.
В предложенном способе решается задача в значительной мере исключения зависимости измеряемого УЭСгп от систематических мультипликативных погрешностей измерителей разностей потенциала электрического поля за счет того, что, в отличие от прототипа, первые и вторые разности потенциала определяют с помощью совокупных измерений [4] двух измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, по формулам:
M2M1
где ΔU - разность потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и верхнего измерительного электрода M1 зонда;
2
ΔU - вторая разность потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и верхнего измерительного электрода M1 зонда;
NM1
ΔU - разность потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней центрального измерительного электрода N и верхнего измерительного электрода M1 зонда;
M2N
ΔU - разность потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и центрального измерительного электрода N зонда;
а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину горных пород, которое определяют по формуле:
где ρ - удельное электрическое сопротивление окружающих скважину горных пород;
3
К - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров зонда;
A1
A2
J, J - токи, подаваемые в токовые электроды А1 и А2 соответственно;
N
A1
N
A2
A1
A2
U(J), U(J) - потенциалы электрического поля в точке контакта с колонной среднего измерительного электрода N, соответственно при подаче токов J, J;
NM1
A1
NM1
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней центрального измерительного электрода N и верхнего измерительного электрода M1 зонда, соответственно при подаче токов J, J;
M2N
A1
M2N
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и центрального измерительного электрода N зонда, соответственно при подаче токов J, J.
Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, включающем подачу электрических токов и измерение при подаче каждого тока потенциала электрического поля и его первой и второй разностей при помощи многоэлектродного зонда второй разности, согласно изобретению, определение первых и вторых разностей потенциала производится по формулам (1) с помощью совокупных измерений двух измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, а множитель в первой скобке формулы (2), используемый для исключения искажающего влияния на результаты измерений сопротивления колонны, учитывает неравномерность растекания вверх и вниз по колонне токов, подаваемых в токовые электроды А1 и А2.
Сущность изобретения
NM1
M2N
На фиг.1 дана блок-схема устройства, реализованного по предлагаемому способу, где 1 - обсадная металлическая колонна; 2 - окружающий скважину пласт горных пород; 3 - скважинный прибор; 5 - средний измерительный электрод N; 4 и 6 - симметрично расположенные относительно среднего измерительные электроды M1 и М2; 7 и 8 - токовые электроды, соответственно, А1 и А2; 9 - измеритель разности потенциалов ΔU между измерительными электродами 5 и 4; 10 - измеритель разности потенциалов ΔU между измерительными электродами 6 и 5; 11 - измеритель потенциала U среднего измерительного электрода 5 относительно удаленного электрода; 15 - удаленный электрод Nуд.; 12 - переключатель тока в цепи токовых электродов А1 и А2; 13 - генератор тока; 14 - обратный токовый электрод В.
На фиг.2 представлена зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей первой и второй разностей потенциала, полученная по формуле [3]. Данная зависимость имеет место при любых скважинных условиях.
На фиг.3 дана полученная по формуле (3) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при равных долях токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения.
На фиг.4 дана полученная по формуле (3) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при полуторном различии долей токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения.
На фиг.5 дана полученная по формуле (3) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при тройном различии долей токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения.
На фиг.6 дана полученная по формуле (3) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при десятикратном различии долей токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения.
На фиг.7 дана полученная по формуле (3) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при различии в триста семьдесят раз долей токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения (предзабойные условия).
На фиг.8 дана полученная предлагаемым способом по формуле (2) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при равных долях токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения.
На фиг.9 дана полученная предлагаемым способом по формуле (2) зависимость относительной ошибки результатов измерений от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при различии в триста семьдесят раз долей токов токовых электродов А1 и А2, текущих вверх и вниз по колонне, относительно отрезка колонны, на котором выполняются измерения (предзабойные условия).
Современная схемотехника построения измерителя разности потенциала подразумевает наличие в ее аналоговой части таких элементов, как резисторы, операционные усилители, источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь. Каждый из этих элементов имеет конечную точность установки, что может приводить к общей ошибке установки измерителя, достигающей 4-5%. Такого же уровня может достигать дополнительная (на 100°С) температурная погрешность измерителя. Вышеперечисленные погрешности относятся к систематическим мультипликативным погрешностям. Результат влияния этих погрешностей измерителей первой и второй разности потенциала на измеренное УЭСгп по формуле прототипа показан на фиг.2.
-10
Калибровка, в том числе и температурная, измерителей с точностью до долей нановольт (10 B) вызывает существенные технические проблемы.
Рассмотрим вариант, представленный на фиг.1, когда первую и вторую разности потенциала колонны получают по формулам (1) с помощью совокупных измерений двух измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, с последующим определением искомых величин как сумм и разностей результатов измерений.
При этом с учетом знаков, соответствующих конкретному включению, формула [3] принимает вид:
где ρ - удельное электрическое сопротивление окружающих скважину горных пород;
A1
A2
J, J - токи, подаваемые в токовые электроды А1 и А2 соответственно;
N
A1
N
A2
A1
A2
U(J), U(J) - потенциалы электрического поля в точке контакта с колонной среднего измерительного электрода N, соответственно при подаче токов J, J;
NM1
A1
NM1
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней центрального измерительного электрода N и верхнего измерительного электрода M1 зонда, соответственно при подаче токов J, J;
M2N
A1
M2N
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и центрального измерительного электрода N зонда, соответственно при подаче токов J, J.
Множитель в первой скобке формулы (3), используемый для исключения искажающего влияния на результаты измерений сопротивления колонны и являющийся выражением для определения погонного сопротивления отрезка колонны между крайними измерительными электродами, не учитывает неравномерность растекания вверх и вниз по колонне токов, подаваемых в токовые электроды А1 и А2 при различных скважинных условиях.
Результаты влияния систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при различных скважинных условиях (различных отношениях сопротивлений вмещающих пород, расположенных выше и ниже измерительных электродов, из-за чего разнятся доли токов токовых электродов А1 и А2, текущие вверх и вниз по колонне), полученные по формуле (3), показаны на фиг.3-7. Видно, что простая замена измерителей первой и второй разностей потенциала на измерители малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, изменяет, но не устраняет влияние систематических мультипликативных погрешностей этих измерителей на результат измерений.
Выражение для определения погонного сопротивления отрезка колонны между крайними измерительными электродами, учитывающее неравномерность растекания вверх и вниз по колонне токов, подаваемых в токовые электроды А1 и А2 при различных скважинных условиях:
M2M1
где R - погонное электрическое сопротивление отрезка колонны между крайними измерительными электродами М2 и M1;
A1
A2
J, J - токи, подаваемые в токовые электроды А1 и А2 соответственно;
NM1
A1
NM1
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней центрального измерительного электрода N и верхнего измерительного электрода M1 зонда, соответственно при подаче токов J, J;
M2N
A1
M2N
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и центрального измерительного электрода N зонда, соответственно при подаче токов J, J.
Удельное электрическое сопротивление окружающих колонну горных пород при этом определяется по формуле (2).
Результаты влияния систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при различных скважинных условиях, полученные по формуле (2), показаны на фиг.8, 9. В этом случае имеет место значительное подавление зависимости измеряемого УЭСгп от систематических мультипликативных погрешностей измерителей при любых скважинных условиях.
Стоит отметить, что сигналы первых и вторых разностей потенциала при подаче тока в обсадную колонну значительно отличаются по амплитуде, поэтому при определении погонного сопротивления отрезка колонны сигналы вторых разностей можно не учитывать, тогда формула (4) принимает вид:
Такое упрощение приводит к незначительной ошибке в определении сопротивления отрезка колонны и практически не влияет на конечный результат.
Удельное электрическое сопротивление окружающих колонну горных пород в этом случае определяется по формуле:
где ρ - удельное электрическое сопротивление окружающих скважину горных пород;
3
К - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров зонда;
A1
A2
J, J - токи, подаваемые в токовые электроды А1 и А2 соответственно;
N
A1
N
A2
A1
A2
U(J), U(J) - потенциалы электрического поля в точке контакта с колонной среднего измерительного электрода N, соответственно при подаче токов J, J;
NM1
A1
NM1
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней центрального измерительного электрода N и верхнего измерительного электрода M1 зонда, соответственно при подаче токов J, J;
M2N
A1
M2N
A2
A1
A2
ΔU(J), ΔU(J) - разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней нижнего измерительного электрода М2 и центрального измерительного электрода N зонда, соответственно при подаче токов J, J.
Вычисление результатов УЭСгп по формулам (2) и (6) приводит практически к одинаковым результатам, зависимость которых от относительных систематических мультипликативных погрешностей измерителей малых величин, измеряющих падения напряжений между соседними электродами эквидистантной тройки измерительных электродов, при различных скважинных условиях показаны на фиг.8 и 9. Как видно из графиков, эта зависимость минимальна, что позволяет отказаться от калибровок измерителей малых величин.
По сравнению с прототипом [3] предлагаемый способ позволяет повысить качество и достоверность измерений удельного электрического сопротивления пластов горных пород, не выполняя дорогостоящих калибровок измерителей нановольтового диапазона.
Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважин даст значительный экономический эффект, так как без значительных затрат позволяет совершенствовать метод и аппаратуру электрического каротажа обсаженных скважин.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Пат. 2172006 Российская Федерация. Способ электрического каротажа обсаженных скважин / А.С.Кашик, Н.И.Рыхлинский, Г.Н.Гогоненков, Р.И.Кривоносов, В.З.Гарипов (РФ). - №2000127404/28; заявл. 01.11.2000; опубл. 10.08.2001.
2. Пат. 2200967 Российская Федерация. Способ электрического каротажа обсаженных скважин / А.С.Кашик, Н.И.Рыхлинский, Р.И.Кривоносов (РФ). - №2002114518/28; заявл. 04.06.2002; опубл. 20.03.2003.
3. Пат. 2176802 Российская Федерация. Способ электрического каротажа обсаженных скважин / А.С.Кашик, Н.И.Рыхлинский, Г.Н.Гогоненков, Р.И.Кривоносов, В.З.Гарипов (РФ). - №2001104501/28; заявл. 20.02.2001; опубл. 10.12.2001.
4. РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Метрология. Основные термины и определения / Нормативно-технический документ. Официальное издание, М.: ИПК Издательство стандартов, 2000; дата введения 01.01.2001.