СПОСОБ ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
METHOD FOR CONDUCTING PETROPHYSICAL INVESTIGATIONS ON LARGE-DIAMETER ROCK SAMPLES IN FIELD CONDITIONS

Это изобретение относится к области петрофизических исследований горных пород по образцам керна большого диаметра, проводимых в полевых условиях при изучении месторождений нефти и газа на основе применения метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в магнитном поле Земли.
Изобретение предназначается для использования при поиске, разведке и разработке нефтегазовых залежей, из которых с целью повышения геологической представительности и достоверности определения петрофизических характеристик горных пород отбирают керн диаметром 80-120 мм.
Известны /1/ различные способы петрофизических исследований горных пород по керну. Эти способы характеризуются длительностью, субъективностью, трудоемкостью и проводятся в лабораторных условиях. В результате этого необходимую для решения геолого-геофизических задач петрофизическую информацию известные способы обеспечивают с опозданием. Кроме того, длительное время между отбором керна и его исследованием приводит к недостоверным результатам, поскольку физико-химические свойства пород успевают существенно измениться.
Известен /2/ способ ЯМР исследований в искусственном магнитном поле, позволяющий экспрессно анализировать образцы пород. Однако на практике этот способ позволяет исследовать образцы пород диаметром не более 40 мм.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ ЯМР исследований образцов пород в магнитном поле Земли /3/, при котором используется метод накопления в сочетании с интегрированием для целей регистрации сигналов. Высокая однородность земного поля позволяет исследовать образцы пород практически любого диаметра. В известном способе исследуемый образец горной породы помещается в катушку индуктивности, с помощью которой образец предварительно намагничивается, а затем возбуждается и принимается при узкой приемной полосе сигнал свободной прецессии (СП) ядер водорода поровой жидкости исследуемого образца породы. Измеряемый сигнал усиливают, осуществляют амплитудное детектирование и интегрируют в нескольких временных окнах. Амплитуды сигналов накапливают путем усреднения фиксированного количества измерений. Для более эффективного накопления выбирают оптимальные времена интегрирования, которые зависят от величины постоянной затухания сигнала. По полученным таким образом амплитудным значениям экстраполируют огибающую сигнала СП к моменту его возбуждения и определяют начальную амплитуду, которая пропорциональна основному определяемому параметру - индексу свободного флюида (ИСФ). ИСФ является мерой количества флюида, который может свободно перемещаться в поровом пространстве породы, то есть эффективной пористости горной породы.
Этот способ имеет ряд недостатков:
1. Использование узкой приемной полосы частот обусловливает большое «мертвое время» при измерениях и искажение спектральной характеристики сигналов малой длительности.
2. При исходном отношении сигнал/шум ≥3 на выходе амплитудного детектора отношение сигнал/шум оказывается в  раз меньше значения, потенциально достижимого с помощью когерентного детектора.
3. При отношении сигнал/шум <3 происходит подавление сигнала помехой; кроме того, возрастает ошибка измерений, обусловленная смещением математического ожидания результата.
4. Накопление одного и того же количества измерений приводит к тому, что относительная погрешность измерений для образцов различной пористости будет различна, а именно, примерно обратно пропорциональна величине ИСФ.
5. Потеря информации о частоте и фазе измеренных сигналов не позволяет применять помехоустойчивую обработку в частотной области и когерентное накопление с целью повышения точности оценок в условиях низкого отношения сигнал/шум.
В результате этого при исследовании пород-коллекторов сложного строения с помощью данного способа погрешность определения величины ИСФ достигает 50% и более.
Таким образом, известный способ не обеспечивает достаточную точность определений параметров сигналов СП, особенно при малых величинах отношения сигнал/шум.
В различных областях техники, где требуется определение параметров слабых сигналов, например, в ЯМР-спектроскопии /4/, известен способ когерентного накопления периодических или квазипериодических сигналов с одинаковой частотой для повышения отношения сигнал/шум. Этот способ заключается в фазовом сдвиге каждого из принимаемых сигналов на определенную величину, так чтобы после сдвига фазы сигналов совпадали или отличались на целое число периодов, и суммировании скорректированных таким образом сигналов. Однако непосредственное применение когерентного накопления для определения параметров слабых сигналов СП в земном поле невозможно в связи с тем, что в известных способах начальная фаза измеряемых сигналов с каждым циклом измерений изменяется случайным образом. Такие случайные сдвиги начальной фазы измеряемых сигналов, как показывает практика, достигают величин 180°. Закон распределения этой случайной величины неизвестен, поэтому при числе накоплений до 5 относительные ошибки определения параметров сигналов могут превышать 50%. Случайные изменения начальной фазы вызваны совместным действием нескольких причин физического и технического характера, среди которых можно указать нестабильность характеристик коммутирующих устройств, возбуждающих и приемных контуров и др. Исключение влияния указанных факторов и достижение стабильности начальной фазы представляет значительные технические трудности. Случайные сдвиги начальной фазы могут быть скомпенсированы путем фазового сдвига каждого из накапливаемых сигналов, если известны начальная фаза и частота каждого из этих сигналов. Однако в случае слабых сигналов СП невозможно определить их фазу и частоту с достаточной точностью.
Цель настоящего изобретения - повышение точности оценки величин ИСФ пород-коллекторов и обеспечение оперативных исследований образцов керна диаметром до 120 мм и более в полевых условиях. Для достижения этой цели в предлагаемом способе используются:
1. Принципиально новый способ измерений, основанный на цифровой регистрации волновых форм сигналов СП в магнитном поле Земли.
2. Оптимальная ширина приемной полосы частот, обеспечивающая максимальное отношение сигнал/шум и исключение искажений частотных спектров измеряемых сигналов. Оптимальная ширина приемной полосы частот выбиралась из условия: , где  - величина постоянной времени затухания сигнала СП. Из опыта ЯМР исследований образцов пород из разных месторождений страны было найдено минимальное значение . В соответствии с этим была выбрана ширина приемной полосы частот, равная 340 Гц.
3. Образец перфторированного масла в качестве источника опорного сигнала.
1
4. Когерентный способ накопления измеряемых сигналов СП, при котором для каждого из накапливаемых сигналов поровой жидкости исследуемых образцов породы осуществляют фазовый сдвиг, приводящий фазу сигнала к начальной фазе первого из накапливаемых сигналов. Величину фазового сдвига определяют путем измерения фазы и частоты сигнала от перфторированного масла и умножения фазового сдвига сигнала от перфторированного масла на отношение величин гиромагнитных отношений ядер фтора и водорода. Необходимое количество повторных измерений определяется исходя из заранее заданной допустимой относительной погрешности измерений ε и измеренной в первом цикле измерений величины ИСФ в соответствии с формулой
где α - коэффициент, определяемый при калибровке аппаратуры.
5. Обработка цифровой измерительной информации в частотной области в сочетании с оптимальной цифровой фильтрацией.
6. Автоматизация процессов исследований керна и обработки получаемых данных в реальном режиме времени.
7. Проведение исследований образцов пород сразу после отбора в состоянии естественного насыщения.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем.
В катушку индуктивности помещают исследуемый образец горной породы и образец перфторированного масла. При этом циклически выполняются следующие операции. Через катушку пропускается ток поляризации, с помощью которого создается намагниченность, обусловленная магнитными моментами ядер водорода поровой жидкости и ядер фтора перфторированной жидкости. Путем быстрого выключения тока поляризации одновременно возбуждают подлежащий измерению сигнал от поровой жидкости и сигнал от перфторированной жидкости, причем частоты этих сигналов отличаются в силу различия гиромагнитных отношений ядер водорода и фтора, а начальные фазы этих сигналов совпадают в силу одновременности возбуждения.
m
m
m
м
м
Измеряемые сигналы после необходимого усиления без детектирования преобразуются со временем дискретизации Δt в цифровую последовательность U(t), где t=t+mT/N, t - мертвое время, T - время регистрации, N=Т/Δt - число записанных точек сигнала, m=0, 1, 2, …, N-1.
max
max
Время дискретизации Δt выбирается из условия Найквиста: Δt<1/2/f, где f - верхняя граница полосы частот измеряемых сигналов.
В результате быстрого преобразования Фурье (БПФ) получают дискретный спектр исходного сигнала с шагом по частоте 1/Т. Коэффициенты спектра исходного сигнала определяются известными /4/ выражениями
1≤k≤2N,
а сам исходный сигнал представляется в виде многочлена
Используя построенную с шагом 1/Т Гц гребенку спектральных составляющих сигнала, после оптимальной цифровой фильтрации получают лоренцевы спектральные кривые измеряемого и опорного сигнала вида
0
где Δω=ω-ω. Параметры сигналов получают по соответствующим спектрам с помощью следующих выражений
0,7
max
где Δf - ширина спектральной линии по уровню 0,707 от |G|.
Сравнение величин отношения сигнал/шум, получаемых при однократном измерении образцов пород с ИСФ=10% с помощью прототипа и заявляемого способа для разных значений , представлено в таблице 1.
Таблица 1
Сравнение величин отношения сигнал/шум для прототипа и заявляемого способа
<img file="00000012.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, мс
20
30
40
50
60
80
100
150
200
Отношение сигнал/шум для прототипа
1,2
2,9
5,6
7,8
10,4
15,1
18,9
27,5
34,8
Отношение сигнал/шум для заявляемого способа
8,3
12,2
15,4
17,9
20,8
24,9
28,1
36,4
42,6
Эти данные показывают, что величины отношения сигнал/шум для заявляемого способа превышают соответствующие величины сигнал/шум для прототипа во всем диапазоне значений . Для наиболее характерного диапазона значений  это превышение составляет (200-400)%. В результате этого точность определения ИСФ исследуемых образцов пород с помощью заявляемого способа повышается в 2-4 раза по сравнению с прототипом.
В случае малых величин отношения сигнал/шум, которые наблюдаются при измерении образцов пород с ИСФ=(1-5)%, производится когерентное накопление измеряемых сигналов. Поскольку начальная фаза измеряемых сигналов от поровой жидкости исследуемого образца породы с каждым циклом измерений изменяется случайным образом, для каждого из накапливаемых сигналов осуществляется фазовый сдвиг, приводящий фазу сигнала к начальной фазе первого из накапливаемых сигналов, что необходимо для когерентного суммирования сигналов. Величина этого сдвига по шкале времени определяется известным соотношением:
Δt=-Δφ/2πf, где Δφ - сдвиг по фазе в радианах, f - частота сигнала в Гц. В рассматриваемом случае накопления сигналов от ядер водорода поровой жидкости величина фазового сдвига для i-го накапливаемого сигнала определяется по формуле
i
0Hi
0H1
H
0Hi
i
H
Δt=-(φ-φ)/2πf, где φ - начальная фаза i-го сигнала от водорода, Δt - сдвиг по шкале времени i-го сигнала, необходимый для совмещения накапливаемых сигналов по фазе с первым сигналом, f - частота сигнала свободной прецессии водорода. В случае слабых сигналов невозможно определить их частоту и начальную фазу с достаточной точностью, что необходимо для когерентного суммирования. В то же время сигнал от ядер фтора перфторированного масла имеет достаточно большую интенсивность вследствие высокой концентрации ядер фтора. Поэтому величину фазового сдвига, необходимого для когерентного суммирования сигналов от поровой жидкости исследуемого образца породы, определяют путем измерения частоты и начальной фазы сигнала от перфторированного масла, рассматриваемого как опорный сигнал. Пересчет фазового сдвига опорного сигнала на фазовый сдвиг сигнала от поровой жидкости исследуемого образца осуществляют с помощью умножения фазового сдвига опорного сигнала на отношение величин гиромагнитных отношений ядер фтора и водорода. Последняя операция основана на известном физическом факте: величины частот сигналов СП для ядер различных элементов в одном и том же магнитном поле относятся как величины гиромагнитных отношений указанных ядер. Процедура измерения частоты и начальной фазы сигналов от перфторированного масла и пересчета осуществляется следующим образом.
0
0
0
0
0
0
0
Для сигнала свободной прецессии вида Uexp(-βt)cos(φ+2πft), где U - исходная амплитуда, β - скорость затухания сигнала, φ - начальная фаза, f - центральная частота, амплитудный спектр сигнала имеет максимум на частоте, равной центральной частоте сигнала. Значение фазово-частотной характеристики при этой частоте с учетом условия β<<f равно
Поскольку начальные фазы обоих сигналов совпадают, а частоты жестко связаны через постоянный коэффициент 0,9409, величина фазового сдвига для i-го накапливаемого сигнала определяется по формуле
1
Необходимое количество повторных измерений, используемое для когерентного накопления сигналов, определяют исходя из заданной допустимой относительной погрешности измерения сигналов от исследуемых образцов пород ε. Значение этой погрешности не должно быть превышено независимо от величины ИСФ исследуемого образца породы. Для этого после первого измерения ИСФ исследуемого образца породы величина αИСФε сравнивается с 1 и если указанная величина меньше 1, вычисляется количество повторных измерений по формуле
Округление до целого значения N берется с избытком. Использование этой формулы основано на следующем. Величина ИСФ пропорциональна амплитуде сигнала СП. Следовательно, при стационарности собственных шумов аппаратуры существует пропорциональность между отношением сигнал/шум и величиной ИСФ. Коэффициент пропорциональности α устанавливается в результате калибровки аппаратуры. В свою очередь относительная погрешность измерений равна отношению шум/сигнал, которое при когерентном накоплении убывает обратно пропорционально корню квадратному из числа накоплений.
После выполнения определенного количества повторных измерений производят их когерентное суммирование и масштабируют результирующий сигнал по числу повторных измерений.
Предлагаемый способ, использующий когерентное накопление слабых сигналов, обеспечивает повышение точности измерений по сравнению с известным способом за счет уменьшения относительной погрешности измерений при одном и том же исходном отношении сигнал/шум и одинаковом числе накоплений. Благодаря адаптивному управлению количеством повторных измерений в зависимости от измеряемой величины ИСФ обеспечивается для всех исследуемых образцов пород относительная погрешность измерений не выше заданной допустимой величины.
Ошибка определения амплитуды сигнала вычисляется по формуле
1
2
где Δ - стандартное отклонение, Δ - смещение математического ожидания.
2
Для прототипа , а , где σ - дисперсия шума, u - амплитуда сигнала. Для предлагаемого способа , а .
При накоплении N измерений стандартное отклонение увеличивается в  раз, а смещение математического ожидания в N раз. Следовательно, ошибка измерений составит: . Таким образом, относительная погрешность измерений, равная ε=Δ/u, при накоплении N измерений составит:
для прототипа
для предлагаемого способа
Из приведенных формул видно, что относительная погрешность для предлагаемого способа всегда меньше, что показывают данные, представленные в таблице 2.
Технико-экономическая эффективность применения данного изобретения заключается в повышении точности, оперативности и объективности определения величин ИСФ пород-коллекторов нефти и газа и обеспечении проведения исследований керна большого диаметра в полевых условиях при значительном сокращении затрат труда и времени.
Источники информации
1. Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика. Москва. "Недра". 1991 г.
2. Авторское свидетельство СССР №1073654 от 15.02.84 г. Бюллетень изобретений №6. Кл. G01N 24/08.
3. Релаксометр - аппаратура для исследования образцов горных пород методом свободной прецессии. Орлов Г.Л., Даневич В.И., Мазниашвили Г.Б., Садыхов Д.М. «Изв. вузов. Сер. Нефть и газ», 1972, №9, с.91-93.
4. Фаррар Т.С., Беккер Э.Д. Импульсная и Фурье-спектроскопия ЯМР. М., «Мир», 1973.
Что заявляется:
1. Способ ЯМР исследований полноразмерных образцов горных пород большого диаметра с естественной насыщенностью в полевых условиях, основанный на цифровом измерении волновых форм сигналов свободной прецессии ядер водорода порового флюида породы в магнитном поле Земли, обеспечивающий повышение точности, оперативности и объективности определения индекса свободного флюида (ИСФ), заключающийся в том, что:
а) помещают в катушку индуктивности исследуемый образец горной породы и образец перфторированного масла;
б) прикладывают к исследуемому образцу породы и образцу перфторированного масла поляризующее постоянное магнитное поле путем пропускания постоянного тока через катушку индуктивности;
в) возбуждают сигналы СП от ядер водорода порового флюида исследуемого образца породы и от ядер фтора перфторированного масла с помощью быстрого выключения поля поляризации;
max
max
г) выбирают время дискретизации Δt из условия Найквиста: Δt<1/2f, где f - верхняя граница полосы частот измеряемых сигналов;
m
m
m
м
м
д) преобразуют со временем дискретизации Δt измеряемые сигналы после необходимого усиления без детектирования в цифровую последовательность U(t), где t=t+mT/N, t - мертвое время, T - время регистрации, N=T/Δt - число записанных точек сигнала, m=0, 1, 2, …, N-1.
е) определяют дискретный спектр исходного сигнала с шагом по частоте 1/Т с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ);
ж) осуществляют оптимальную цифровую фильтрацию, используя построенную гребенку спектральных составляющих сигнала;
з) определяют параметры сигнала от ядер водорода порового флюида исследуемого образца породы по его частотному спектру с помощью следующих выражений:
, ,
max
где  - постоянная времени затухания сигнала,  - ширина спектральной линии по уровню 0,707 от |G|;
1
0
и) определяют величину ИСФ исследуемого образца породы по формуле: ИСФ=UK, где K - коэффициент калибровки;
1
к) вычисляют величину αИСФε, где ε - заданная допустимая относительная погрешность измерений, α - коэффициент, определяемый при калибровке аппаратуры, и сравнивают с 1;
1
1
-2
л) определяют необходимое число повторных измерений, когда αИСФε<1, по формуле: N=(αИСФε)-1, округление до целого значения N берется с избытком;
м) выполняют N повторных измерений;
0F
0
н) определяют начальные фазы опорных сигналов от перфторированного образца по их фазово-частотной характеристике при центральной частоте спектра ядер фтора: φ=φ(f);
о) осуществляют фазовые сдвиги накопленных сигналов от порового флюида исследуемого образца породы на величины Δt, определяемые по формуле:
i
0Fi
0F1
F
Δt=-(φ-φ)0,9409/2πf;
п) производят когерентное суммирование накопленных сигналов и масштабируют результирующий сигнал по числу повторных измерений;
0p
0p
р) определяют величину ИСФ исследуемого образца горной породы по результатам когерентного накопления сигналов: ИСФ=UK, где U - амплитуда результирующего сигнала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения сигналов СП применяют оптимальную ширину приемной полосы частот, равную 340 Гц.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для цифровой регистрации волновых форм измеряемых сигналов СП выбирают время дискретизации, равное 80 мкс.