Способ электромагнитного зондирования околоскважинного пространства газовых и нефтяных скважин и устройство для его осуществления
METHOD FOR ELECTROMAGNETIC SOUNDING OF ENVIRONMENTAL SPACE OF GAS AND OIL WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявленные изобретения относятся к области исследования анизотропного околоскважинного пространства и могут быть использованы для поиска, разведки и эксплуатации месторождений нефти и газа.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, относящегося к способу, является техническое решение, в котором описан способ работы радиолокационного прибора подповерхностного зондирования (в общепринятой терминологии - георадара), основанного на использовании классических принципов радиолокации. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Центральная частота сигнала определяется типом антенны. Выбор длительности импульса определяется необходимой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Для формирования зондирующих импульсов используется возбуждение широкополосной передающей антенны перепадом напряжения (ударный метод возбуждения). Излучаемый в исследуемую среду импульс отражается от находящихся в ней предметов или неоднородностей среды, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость или проводимость, принимается приемной антенной, усиливается в широкополосном усилителе, преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя и запоминается для последующей обработки. После обработки по определенной программе полученная картина в виде радарограммы высвечивается на экране монитора. Одновременно в правой части экрана изображается осциллограмма в зондируемом сечении грунта по глубине (в том сечении, где находится курсор, который можно устанавливать в любую точку пройденного пути). Глубина расположения объекта определяется по времени прохождения сигнала до объекта и обратно. Передача импульсов запуска от формирователя к передающему антенному блоку осуществляется через волоконно-оптическое приемопередающее устройство, (см. описание к патенту на изобретение RU 2283519, H01Q 1/04, G01S 13/88, G01V 3/12, опубл. 10.09.2006).
Недостатком упомянутого способа является использование только наземных антенн, что не позволяет исследовать нефтяные и газовые месторождения и производить геометризацию границ раздела геологических сред на большой глубине.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, относящегося к устройству, является геофизический комплекс для поиска подповерхностных объектов, содержащий пространственно связанные передающее и приемное антенные устройства, каждое из которых выполнено в отдельном корпусе, внутри каждого из которых размещена антенна и управляющий блок, а также блок управления, связанный с ЭВМ и с передающим и приемным антенными устройствами. Передающей антенной прибора излучаются сверхкороткие электромагнитные импульсы (единицы и доли наносекунды), имеющие 1,0-1,5 периода квазигармонического сигнала и достаточно широкий спектр излучения. Для передающего антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска передатчика оптическим или электрическим сигналом от блока управления и передатчика, для приемного антенного устройства управляющий блок выполнен в виде устройства запуска приемника и стробоскопического преобразователя, а блок управления выполнен с возможностью реализации функций по формированию импульсов запуска передатчика, приемника, стробоскопического преобразователя, сигналов пилообразного вида и сигналов для ЭВМ. Корпуса передающего и приемного антенных устройств выполнены в виде параллелепипедов из оцинкованного железа, нижняя панель каждого из которых выполнена из пластика и на ней размещена антенна типа "бабочка", представляющая собой замкнутый контур, две противоположные прямые стороны которого расположены вдоль одних противоположных сторон нижней панели, а каждая из двух других сторон контура вогнута в направлении к геометрическому центру нижней панели, при этом на середине расстояния от геометрического центра нижней панели до ее края ветви вогнутого участка антенны выполнены прямыми и расположены под углом 90° друг к другу (см. патент на изобретение RU 2283519, H01Q 1/04, G01S 13/88, G01V 3/12, опубл. 10.09.2006).
Также недостатком упомянутого выше устройства является то, что конструкция устройства не обеспечивает возможность его спуска в скважину и, следовательно, отсутствует возможность использования упомянутого устройства в скважинных условиях.
Задача, решаемая посредством заявленных изобретений, заключается в выявлении геологических границ при исследовании газовых и нефтяных залежей с использованием электромагнитного излучения.
Техническим результатом заявленных изобретений является повышение эффективности процесса исследования разрезов газовых и нефтяных скважин для оптимизации процесса поиска, разведки и эксплуатации месторождений нефти и газа.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе электромагнитного зондирования околоскважинного пространства газовых и нефтяных скважин зондирование осуществляют с использованием скважинного приемо-передающего блока, содержащего генератор сверхкоротких импульсов (СКИ), передающую антенну, по меньшей мере одну приемную антенну, блок усилителей импульсного сигнала и аналого-цифровой преобразователь, упомянутый приемно-передающий блок спускают в скважину и осуществляют зондирование СКИ в плоскости перпендикулярной оси скважины, при этом выдаваемый генератором СКИ широкополосный импульс излучается в окружающую среду передающей антенной, а, по меньшей мере одна приемная антенна регистрирует отраженный импульсный сигнал, который усиливается, затем регистрируется и обрабатывается, причем для обработки импульсных сигналов используется метод общей глубинной точки, заключающийся в суммировании отраженных импульсных сигналов от границы раздела сред при различных расстояниях между передающей и, по меньшей мере одной приемной антеннами.
Также технический результат обеспечивается тем, что устройство для электромагнитного зондирования околоскважинного пространства газовых и нефтяных скважин, содержащее скважинный приемо-передающий блок, предназначенный для спуска в скважину и компьютер, при этом скважинный приемо-передающий блок имеет корпус, а внутри него закреплены генератор СКИ, генерирующий импульсы с широкой спектральной полосой, передающая антенна, по меньшей мере одна приемная антенна, принимающая импульсные сигналы с генератора СКИ, аналого-цифровой преобразователь и блок усилителей импульсного сигнала, поступающего с, по меньшей мере одной приемной антенны, при этом передающая и, по меньшей мере одна приемная антенны выполнены широкополосными и представляют собой один из следующих типов антенн: зигзагообразная антенна, выполненная в виде синфазной решетки из двух ромбовидных элементов и снабженная рефлектором в форме чаши, антенна типа «бабочка» с дипольной схемой подключения, имеющая плечи в виде треугольников и снабженная рефлектором в форме чаши, антенна петлевой диполь, состоящая из двух параллельных линейных вибраторов - активного и пассивного, образующих петлю, и снабженная полукруглым рефлектором.
В заявленных изобретениях используется при электромагнитном зондировании метод суммирования общей глубинной точки, а для зондирования геологической среды применяются сверхкороткие электромагнитные импульсы с широкой спектральной полосой. С целью одновременного получения нескольких наборов данных для их последующего суммирования по методу общей глубинной точки без механического изменения расстояния между приемной и передающей антеннами приемно-передающий блок может содержать несколько приемных антенн.
Применение скважинного приемо-передающего блока, снабженного корпусом, внутри которого закреплены генератор СКИ, передающая антенна, по меньшей мере одна приемная антенна, аналого-цифровой преобразователь и блок усилителей импульсного сигнала, обеспечивает возможность использования заявленного устройства в скважинных условиях для исследования разрезов газовых и нефтяных скважин.
Наиболее оптимальными типами антенн являются широкополосные антенны с симметричным вибратором, снабженные рефлектором, а именно: зигзагообразная антенна, антенна «бабочка» и петлевой диполь. Упомянутые антенны обладают приемлемыми характеристиками в части коэффициента усиления, диапазона рабочих частот.
Снабжение упомянутых антенн рефлекторами обеспечивает возможностью создания необходимой диаграммы направленности, что позволяет производить геометризацию границ раздела геологических сред и, следовательно, повышает эффективность процесса исследования разрезов газовых и нефтяных скважин.
Применение широкополосных сигналов обеспечивает малую длину импульсов и высокое разрешение по глубине.
Заявленные изобретения поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа электромагнитного зондирования газовых и нефтяных скважин (в исполнении с одной приемной антенной).
На фиг. 2 представлена топология зигзагообразной антенны.
На фиг. 3 представлена топология антенны типа «бабочка».
На фиг. 4 представлена топология антенны петлевой диполь.
Способ электромагнитного зондирования околоскважинного пространства газовых и нефтяных скважин реализуется в устройстве для электромагнитного зондирования газовых и нефтяных скважин, которое содержит скважинный приемо-передающий блок 1, предназначенный для спуска в скважину.
Блок 1 имеет корпус, в верхней части которого закреплен трос, предназначенный для спуска и подъема скважинного приемо-передающего блока 1 в скважине. Корпус приемно-передающего блока 1 может быть выполнен трубчатым.
На крепежных стойках внутри корпуса приемно-передающего блока 1 закреплены приемная антенна 2, передающая антенна 3, генератор СКИ 4 и блок 7 усилителей импульсного сигнала и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9. Корпус приемно-передающего блока 1 может быть выполнен из керамики.
В верхней части корпуса приемно-передающего блока 1 находится цилиндрический низкочастотный разъем для подключения проводов электрического питания устройств к внешним источникам питания.
Также в верхней части корпуса приемно-передающего блока 1 находятся крюк для крепления троса, предназначенного для спуска и подъема приемо-передающего блока в скважине, гермовводы для вывода СВЧ - кабелей (сигнал и синхронизация на АЦП) и цилиндрический низкочастотный разъем для подключения проводов электрического питания устройств к внешним источникам питания. Механическое закрепление кабелей и проводов внутри корпуса выполнено с помощью полимерных стяжек и силиконового герметика.
Также устройство для электромагнитного зондирования газовых и нефтяных скважин содержит блок 5 низковольтного питания генератора СКИ 4, блок 6 высоковольтного питания генератора СКИ 4, устройство 8 питания усилителей и компьютер 10.
Генератор СКИ 4 состоит из двух частей: задающего генератора, выдающего импульсы длительностью 50 не, амплитудой 5 В и частотой следования 10 кГц, и непосредственно излучающего генератора, выдающего импульсы с центральной частотой спектра порядка 0,6-0,8 ГГц, шириной спектра до 1,6 ГГц, длительностью импульса не более 2-3 не (по уровню -3 дБ), амплитудой 180 вольт.
Блок 7 усилителей импульсного сигнала с передающей антенны 3 скомпонован на изоляционном основании из широкополосных усилителей.
АЦП 9 обеспечивает регистрацию амплитуды и времени прихода импульсов, поступающих на приемную антенну 2.
В устройстве в качестве приемной 2 и предающей 3 использованы антенны с симметричным вибратором, выполненным в виде двух симметрично расположенных в одной плоскости проводников одинаковой длины, к примыкающим концам которых подводится фидер. В симметричном вибраторе распределение тока является симметричным относительно клемм питания, т.е. амплитуды и фазы тока в сечениях, отстоящих от клемм питания на одинаковую величину равны. В антенне с симметричным вибратором оба плеча по форме и размерам одинаковы и занимают одинаковые положения относительно поверхности нулевого потенциала. Питание вибратора является симметричным, т.е. напряжения на клеммах равны по величине и имеют разную полярность.
В заявленном устройстве в качестве приемной 2 и предающей 3 использованы следующие типы антенн с симметричным вибратором:
- зигзагообразная антенна, имеющая рефлектор в форме чаши;
- антенна типа «бабочка», имеющая рефлектор в форме чаши;
- антенна петлевой диполь, имеющая полукруглый рефлектор.
Приемная 2 и передающая 3 антенны выполнены рамочного типа с закреплением на изоляционных опорах отражателей. Контуры антенн выполнены из медной проволоки, отражатели выполнены из оцинкованной стали.
Зигзагообразная антенна (см. фиг. 2) представляет собой синфазную решетку из двух ромбовидных элементов 11, имеющих одну общую пару точек питания. В конструкцию зигзагообразной антенны введен рефлектор в форме чаши 12, обеспечивающий направленную диаграмму излучения антенны.
Ширина зигзагообразной антенны не превышает 10 см. Геометрические размеры рефлектора зигзагообразной антенны 420X100 мм. Расстояние между рефлектором в форме чаши 12 и ромбовидными элементами 11 зигзагообразной антенны составляет 43 мм. Раствор отражателей (40 градусов) обеспечивает требуемую диаграмму направленности излучения.
Антенна 13 типа «бабочка» с дипольной схемой подключения имеет плечи в виде треугольников и содержит рефлектор в форме чаши 14 (см. фиг. 3). Чашеобразная конфигурация рефлектора обеспечивает весьма узкую диаграмму направленности излучения антенны.
Антенна 13 типа «бабочка» имеет следующую геометрию: длина плеча 160 мм, ширина плеча 80 мм, расстояние между треугольниками 8 мм. Такая геометрия антенны 13 типа «бабочка» позволяет получить приемлемые характеристики антенны в части широкополосности и согласованности с выходным сопротивлением генератора СКИ 4.
Антенна типа «бабочка» имеет высокий входной импеданс (200 - 600 Ом), коэффициент усиления 6,5 - 7. Из-за высокого сопротивления антенны коэффициент стоячей волны (КСВ) на 50 Ом будет иметь большие значения, поэтому необходимо согласование антенны с фидером, для этих целей может быть использован согласующий трансформатор и нагрузочное сопротивление. Фазовый центр этой антенны не зависит от частоты и находится в ее геометрическом центре.
Антенна петлевой диполь 15 (другое название вибратор Пистолькорса) (см. фиг. 4) состоит из двух параллельных линейных вибраторов - активного и пассивного, которые образуют петлю и связаны сильной электромагнитной связью за счет ближних полей и кондуктивной связью с помощью перемычек на концах вибратора. Упомянутые вибраторы располагаются на небольшом, относительно длины волны, расстоянии друг от друга и образуют замкнутую петлю. Один из вибраторов в центре имеет разрез, к которому подсоединяется фидер. Середина другого вибратора является точкой нулевого потенциала.
Достоинством петлевого диполя является более высокое входное сопротивление и возможность его регулировки путем соответствующего подбора радиуса проводников.
Антенна петлевой диполь 15 имеет ненаправленную диаграмму излучения, поэтому необходимо добавить в ее конструкцию рефлектор 16 полукруглой формы, обеспечивающий направленную диаграмму излучения. Форма рефлектора 16 была выбрана полукруглой для упрощения изготовления и эксплуатации антенны.
Петлевой диполь имеет весьма высокое волновое сопротивление порядка 300 - 600 Ом, что требует согласования с питающим фидером. Для решения проблемы согласования использовался понижающий широкополосный трансформатор на ферритовом сердечнике с коэффициентом трансформации 1 к 4.
Все упомянутые антенны обеспечивают однонаправленную диаграмму излучения для рабочего диапазона частот при условии соблюдения требуемых габаритных размеров, при этом критичным габаритным размером являлся диаметр обтекателя антенны.
Блок 7 усилителей импульсного сигнала с приемной антенны скомпонован на изоляционном основании из широкополосных усилителей.
Генератор СКИ 4 выполнен на печатном основании из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита.
Способ электромагнитного зондирования газовых и нефтяных скважин осуществляют следующим образом.
Зондирование осуществляют посредством устройства для осуществления способа электромагнитного зондирования газовых и нефтяных скважин, при этом зондирование происходит в плоскости перпендикулярной оси скважины.
Скважинный приемно-передающий блок 1 на тросе спускают в скважину и включают блок 5 низковольтный питания генератора СКИ 4, блок 6 высоковольтного питания генератора СКИ и устройство 8 питания усилителей.
Генератор СКИ 4 выдает широкополосные импульсы большой мощности длительностью 1 не и с амплитудой несколько сотен вольт. При зондировании СКИ применяют широкополосные сигналы с центральной частотой спектра порядка 0,6-0,8 ГГц, шириной спектра до 1,6 ГГц, длительностью импульса не более 2-3 не (по уровню -3 дБ), амплитудой 180 вольт.
Импульс с генератора СКИ 4 излучается в окружающую среду передающей антенной 3. Приемная антенна 2 принимает отраженный импульсный сигнал, для усиления которого используется блок 7, состоящий из двух каскадов широкополосных усилителей. Усиленный импульсный сигнал регистрируется с помощью АЦП 9, обеспечивающего регистрацию амплитуды и времени прихода импульсных сигналов, поступающих на приемную антенну 2.
В качестве передающих линий от генератора СКИ 4 к передающей антенне 3 и от приемной антенны 2 к АЦП 9 применяется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Для обеспечения измерения временных характеристик отраженного импульсного сигнала с генератора СКИ 4 снимается синхроимпульс на второй канал АЦП 9.
На компьютере 10, подключенном к АЦП 9, зарегистрированные импульсные сигналы сохраняются и обрабатываются.
Для более контрастного выявления геологических границ для обработки импульсных сигналов используется метод общей глубинной точки, заключающийся в суммировании отраженных импульсных сигналов от одного и того же локального участка (точки), а именно: от границы раздела сред при различных расстояниях между приемной 2 и передающей 3 антеннами.
Основное преимущество метода общей глубинной точки состоит в возможности усиления однократно отраженных волн на фоне многократных и обменных отраженных волн путем уравнивания времен отраженных от общих глубинных точек и их суммирования.
Особенности метода общей глубинной точки определяются свойствами направленности при суммировании, избыточностью данных и статистическим эффектом. Упомянутые особенности наиболее успешно реализуются при цифровой регистрации и обработке сигналов.
Заявленные изобретения обеспечивают повышение эффективности процесса электромагнитного зондирования, осуществляемого в полевых условиях нефтяных и газовых промыслов для внутрискважинного зондирования разреза околоскважинного пространства с высокой разрешающей способностью при локализации структурных неоднородностей и геометризации их границ.