КОМПЛЕКСНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА НА БУРИЛЬНЫХ ТРУБАХ (ВАРИАНТЫ)
COMPLEX GEOPHYSICAL EQUIPMENT ON DRILL PIPES (VERSIONS)

Изобретение относится к области бурения и геофизических исследований нефтегазовых скважин и может быть использовано как для информационного обеспечения проводки скважин в процессе бурения, так и для геофизических исследований в пробуренных наклонно-направленных и горизонтальных скважинах.
Известна комплексная аппаратура - прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения (см. В.Н.Еремин. Прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ-7. НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС 2005. Вып.132-133. С.235-243), встраиваемый в колонну бурильных труб и состоящий из наземной приемно-регистрирующей аппаратуры и скважинного прибора, связанных между собой кабельной линией связи. Скважинный прибор включает в себя канал разноглубинного электромагнитного каротажа, канал гамма-каротажа (ГК) и канал инклинометрии.
Корпус скважинного прибора выполнен в виде двух коаксиально расположенных труб из высокопрочного стеклопластика, соединенных на торцах металлическими соединительными элементами - законцовками. Металлические законцовки по обеим сторонам труб снабжены резьбой для монтажа прибора в бурильной колонне.
Недостатком прибора является ограниченность комплекса геофизических методов. Так как зонды электромагнитного каротажа работоспособны при удельных электрических сопротивлениях горных пород до 150-200 Ом·м, то при бурении в более высокоомных породах прибор становится неэффективным.
Известна комплексная автономная геофизическая аппаратура (см. А.Р.Лаздин. Сопоставление данных исследований автономной и стандартной аппаратурой электрического каротажа. НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып.137-138, с.228-232), доставляемая к забою скважин на бурильных трубах. Аппаратура состоит из сочленяемых между собой модулей инклинометрии, радиоактивного каротажа, памяти и питания, электрического каротажа, размещенных внутри отрезков бурильных труб и в стеклопластиковом контейнере.
Модуль электрического каротажа включает в себя два зонда индукционного каротажа, находящихся внутри стеклопластикового контейнера, два симметричных градиент-зонда и потенциал зонд, измерительные и токовые электроды которых расположены на внешней поверхности стеклопластикового контейнера, канал измерения потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС), резистивиметр.
Недостаток этой аппаратуры - значительное влияние скважинной промывочной жидкости на результаты измерений градиент- и потенциал-зондами, что снижает достоверность получаемой геофизической информации.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является комплексная геофизическая аппаратура - телеизмерительная система «Забой» (см. А.А.Молчанов. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. М.: Недра, 1983, с.171-177, с.48-58), предназначенная для измерения в процессе бурения нефтяных и газовых скважин геофизических и технологических параметров. Передача данных глубинных измерений осуществляется по беспроводному электромагнитному каналу связи забой-устье.
Аппаратура состоит из приемно-регистрирующего наземного прибора и забойного скважинного прибора, работающего в составе буровой колонны. Скважинный прибор включает в себя турбобур с долотом, инклинометрический блок, геофизический блок, автономный источник питания (турбогенератор), передающее устройство, корпус которого выполняет и функцию электрического разделителя, электрически изолирующего нижнюю часть буровой колонны вместе с турбобуром и долотом от основной (верхней части) колонны бурильных труб. Выход передающего устройства подключен к верхней и нижней частям буровой колонны.
Геофизический блок включает в себя канал (модуль) ГК и канал (модуль) измерения удельного электрического сопротивления зондом псевдобокового каротажа, содержащий источник зондирующего тока и измерительный преобразователь. Экранные и центральный электроды зонда псевдобокового каротажа расположены на внешней электрически изолированной поверхности силового корпуса геофизического блока. Обратным токовым электродом и электродом сравнения при измерении потенциала экранных электродов служит нижняя часть буровой колонны.
Недостатком этой аппаратуры также является ограниченность комплекса геофизических методов, что снижает ее геолого-геофизическую эффективность. Так наличие только одного зонда псевдобокового каротажа, имеющего малую радиальную глубинность исследования, не позволяет выделять в разрезе бурящихся скважин проницаемые пласты-коллекторы и судить об их нефтегазонасыщенности.
Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей аппаратуры и повышение ее геолого-геофизической эффективности.
Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что в комплексной геофизической аппаратуре на бурильных трубах, состоящей из приемно-регистрирующего наземного прибора и забойного скважинного прибора, включающего в себя турбобур с долотом, инклинометрический блок, автономный источник питания, электрический разделитель, электрически изолирующий нижнюю часть буровой колонны с турбобуром и долотом от верхней части колонны бурильных труб, передающее устройство, выход которого подключен к верхней и нижней частям буровой колонны, геофизический блок, включающий модуль гамма-каротажа и модуль зонда псевдобокового каротажа, содержащий источник зондирующего тока и измерительный преобразователь, центральный электрод зонда псевдобокового каротажа расположен на внешней электрически изолированной поверхности силового корпуса геофизического блока, при этом блоки скважинного прибора расположены внутри силовых корпусов, являющихся элементами буровой колонны, дополнительно в состав геофизического блока введены модуль разноглубинного электромагнитного каротажа, модуль глубинного зонда бокового каротажа, содержащий источник зондирующего тока и измерительный преобразователь, и модуль измерения потенциалов самопроизвольной поляризации, электрический разделитель выполнен в виде трубной вставки из композитного радиопрозрачного материала, длина которой не менее длины зондового устройства модуля разноглубинного электромагнитного каротажа, при этом упомянутое зондовое устройство размещено внутри электрического разделителя, экранным электродом глубинного зонда бокового каротажа и зонда псевдобокового каротажа служит нижняя часть буровой колонны вместе с турбобуром и долотом, центральный электрод является общим для обоих зондов, обратным токовым электродом и электродом сравнения для глубинного зонда бокового каротажа служит верхняя часть колонны бурильных труб, обратный токовый электрод для зонда псевдобокового каротажа установлен на внешней поверхности электрического разделителя, а электродом сравнения для зонда псевдобокового каротажа служит верхняя часть колонны бурильных труб, измерительный электрод модуля измерения потенциалов самопроизвольной поляризации размещен на внешней поверхности электрического разделителя, а электродом сравнения служит верхняя часть колонны бурильных труб.
В другом варианте исполнения в комплексной геофизической аппаратуре на бурильных трубах, состоящей из приемно-регистрирующего наземного прибора, в состав которого входит генератор переменного тока, соединенного кабельной линией связи с забойным скважинным прибором, включающим в себя турбобур с долотом, инклинометрический блок, электрический разделитель, электрически изолирующий нижнюю часть буровой колонны с турбобуром и долотом от верхней части колонны бурильных труб, передающее устройство, геофизический блок, включающий модуль гамма-каротажа и модуль зонда псевдобокового каротажа, содержащий источник зондирующего тока и измерительный преобразователь, центральный электрод зонда псевдобокового каротажа расположен на внешней электрически изолированной поверхности силового корпуса геофизического блока, при этом блоки скважинного прибора расположены внутри силовых корпусов, являющихся элементами буровой колонны, дополнительно в состав геофизического блока введены модуль разноглубинного электромагнитного каротажа, модуль глубинного зонда бокового каротажа с измерительным преобразователем и модуль измерения потенциалов самопроизвольной поляризации, электрический разделитель выполнен в виде трубной вставки из композитного радиопрозрачного материала, длина которой не менее длины зондового устройства модуля разноглубинного электромагнитного каротажа, при этом упомянутое зондовое устройство размещается внутри электрического разделителя, экранным электродом глубинного зонда бокового каротажа и зонда псевдобокового каротажа служит нижняя часть буровой колонны вместе с турбобуром и долотом, центральный электрод является общим для обоих зондов, обратным токовым электродом для глубинного зонда бокового каротажа является заземленный полюс наземного генератора переменного тока, который служит источником зондирующего тока для глубинного зонда бокового каротажа, электродом сравнения для обоих зондов бокового каротажа является верхняя часть колонны бурильных труб, обратный токовый электрод для зонда псевдобокового каротажа установлен на внешней поверхности электрического разделителя, измерительный электрод модуля измерения потенциалов самопроизвольной поляризации также размещен на внешней поверхности электрического разделителя, а электродом сравнения служит верхняя часть колонны бурильных труб, при этом выход передающего устройства подключен к кабельной линии связи.
Схемы вариантов предложенной комплексной геофизической аппаратуры на бурильных трубах приводятся на чертежах.
Фиг.1 - схема комплексной геофизической аппаратуры на бурильных трубах, предназначенной для работы в процессе бурения скважины с использованием для передачи данных беспроводного электромагнитного канала связи.
Фиг.2 - схема комплексной геофизической аппаратуры на бурильных трубах с использованием проводного канала связи и предназначенной как для работы в процессе бурения, так и для геофизических исследований уже пробуренных горизонтальных скважин.
Комплексная геофизическая аппаратура на бурильных трубах по первому варианту состоит (фиг.1) из приемно-регистрирующего наземного прибора 1 и забойного скважинного прибора, включающего турбобур 2 с долотом 3, инклинометрический блок 4, автономный источник 5 питания, электрический разделитель 6, электрически изолирующий нижнюю часть 7 буровой колонны с турбобуром 2 и долотом 3 от верхней части 8 колонны бурильных труб, передающее устройство 9, выход которого подключен к верхней 8 и нижней 7 частям буровой колонны (на фиг.1 не показано). В состав забойного скважинного прибора входит также геофизический блок 10, включающий модуль 11 гамма-каротажа, модуль 12 зонда псевдобокового каротажа, содержащий источник 13 зондирующего тока и измерительный преобразователь 14, модуль 17 разноглубинного электромагнитного каротажа, модуль 18 глубинного зонда бокового каротажа, содержащий источник 19 зондирующего тока и измерительный преобразователь 20, модуль 21 измерения потенциалов самопроизвольной поляризации.
Указанные блоки скважинного прибора расположены внутри силовых корпусов 16, являющихся элементами буровой колонны. Электрический разделитель 6 выполнен в виде трубной вставки из композитного радиопрозрачного материала, длина которой не менее длины зондового устройства 22 модуля 17 разноглубинного электромагнитного каротажа, которое размещено внутри электрического разделителя 6.
Центральный электрод 15 обоих зондов бокового каротажа расположен на внешней электрически изолированной поверхности силового корпуса 16 геофизического блока 10.
Экранным электродом зондов псевдобокового и глубинного бокового каротажа служит нижняя часть 7 буровой колонны вместе с турбобуром 2 и долотом 3, а центральный электрод 15 является общим для обоих зондов. Обратным токовым электродом и электродом сравнения глубинного зонда бокового каротажа служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб. Обратный токовый электрод 23 для зонда псевдобокового каротажа установлен на внешней поверхности электрического разделителя 6, а электродом сравнения для этого зонда служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб.
Измерительный электрод 24 модуля 21 измерения потенциалов самопроизвольной поляризации размещен на внешней поверхности электрического разделителя 6, а электродом сравнения служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб.
На фиг.1 изображен также электроизоляционный слой 25 на внешней поверхности силового корпуса 16 геофизического блока 10.
Комплексная геофизическая аппаратура на бурильных трубах по второму варианту (фиг.2) содержит в составе приемно-регистрирующего наземного прибора 1 заземленный генератор 26 переменного тока.
Наземный прибор 1 соединен с забойным скважинным прибором кабельной линией 27 связи. Из скважинного прибора исключен автономный источник 5 питания, а также источник 19 зондирующего тока в модуле 18 глубинного зонда бокового каротажа, функции которых выполняет генератор 26 переменного тока.
Обратным токовым электродом для глубинного зонда бокового каротажа является заземленный через заземлитель 28 полюс наземного генератора 26 переменного тока, а электродом сравнения служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб.
Выход передающего устройства 9 подключен при этом к кабельной линии 27 связи.
Комплексная геофизическая аппаратура на бурильных трубах по первому варианту работает следующим образом. Забойный скважинный прибор аппаратуры, смонтированный на колонне бурильных труб, опускается в скважину. Первичное питание электрических схем скважинного прибора в процессе бурения осуществляется от автономного источника 5 питания (турбогенератора или аккумуляторной батареи).
Поток промывочной жидкости, проходя через внутреннюю полость колонны бурильных труб и турбобур 2, приводит во вращательное движение долото 3, осуществляющее углубление бурящейся скважины.
Инклинометрический блок 4 выполняет измерения, несущие информацию о пространственном положении скважины, а именно: азимуте искривления скважины, зенитном угле искривления скважины, положении отклонителя.
Модули геофизических методов в составе геофизического блока 10 выполняют измерения, несущие информацию о физических свойствах разбуриваемых горных пород. Так модуль 11 гамма-каротажа производит измерения естественной радиоактивности горных пород.
Модуль 17 разноглубинного электромагнитного каротажа осуществляет измерения удельного электрического сопротивления горных пород как минимум двумя разноглубинными зондами, в качестве которых могут использоваться как зонды традиционного низкочастотного индукционного каротажа, так и зонды высокочастотного электромагнитного каротажа с измерением относительных характеристик поля: отношения амплитуд или разности фаз.
Зондовое устройство 22 модуля разноглубинного электромагнитного каротажа расположено внутри электрического разделителя 6, выполненного в виде трубной вставки из композитного радиопрозрачного материала, например из стеклопластика на основе эпоксидной смолы и стекловолокна. Такой композитный материал является прозрачным для прохождения электромагнитных волн и достаточно прочным. Соединительные элементы, изготовленные из стали или титана, дают возможность встроить композитную трубу в бурильную колонну.
Модуль 12 зонда псевдобокового каротажа выполняет измерения удельного электрического сопротивления горных пород, находящихся на небольшом удалении от стенки скважины.
0
э
Источник 13 зондирующего тока создает ток в цепи между экранным электродом, которым служит нижняя часть 7 буровой колонны вместе с турбобуром 2 и долотом 3, и обратным электродом 23, установленным на электрическом разделителе 6 вблизи от экранного (≈0,2 м). Ток, стекая с экранного и центрального электродов, распространяется и в окружающих горных породах. Центральный электрод 15 зонда псевдобокового каротажа соединен с экранным электродом электрическим шунтом (не показан) малого сопротивления, так что потенциалы экранного и центрального электродов близки между собой. Измерительный преобразователь 14 осуществляет измерение тока I центрального электрода, протекающего через шунт, и потенциала ΔU экранного электрода относительно электрода сравнения, в качестве которого служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб. Удельное электрическое сопротивление может быть рассчитано по формуле
пбк
где K - коэффициент зонда псевдобокового каротажа.
Модуль 18 глубинного зонда бокового каротажа выполняет измерения удельного электрического сопротивления горных пород, находящихся на значительном расстоянии от стенки скважины.
Источник 19 зондирующего тока создает ток в цепи между экранным электродом (нижняя часть 7 буровой колонны) и обратным электродом, которым служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб. В этом случае токи, стекающие с экранного и центрального электродов, распространяются в большем объеме окружающих зонд горных породах, так как обратный токовый электрод отнесен от экранного на значительное расстояние (≈3 м), определяемое длиной электрического разделителя 6. Это увеличивает радиальную глубинность исследования в сравнении с зондом псевдобокового каротажа.
Измерительный преобразователь 20 осуществляет измерение тока центрального электрода и потенциала экранного электрода относительно электрода сравнения, которым служит верхняя часть 8 колонны бурильных труб. Удельное электрическое сопротивление определяется так же, как и для зонда псевдобокового каротажа.
Модуль 21 измерения потенциалов самопроизвольной поляризации, характеризующих электрохимическую активность разбуриваемых горных пород, осуществляет измерение разности потенциалов между измерительным электродом 24, установленным на электрическом разделителе 6 на расстоянии 1,2-1,5 м от верхней 8 и нижней 7 частей буровой колонны, и электродом сравнения (верхняя часть 8 колонны бурильных труб).
Инклинометрическая информация от инклинометрического блока 4 и информация о физических свойствах разбуренных горных пород от геофизического блока 10 поступает в передающее устройство 9 и с его выхода по колонне бурильных труб и горным породам передается в виде цифровых кодированных сигналов на земную поверхность, где принимается приемно-регистрирующим наземным прибором 1. В наземном приборе 1 производится выделение полезных сигналов на фоне шумов, их дешифрация, распределение по каналам, необходимая математическая обработка, цифровая и аналоговая регистрация.
Рассмотрим работу комплексной геофизической аппаратуры по второму варианту (фиг.2).
В этом случае первичным источником питания забойного скважинного прибора аппаратуры служит генератор 26 переменного тока, входящий в состав приемно-регистрирующего наземного прибора 1. Ток питания частотой 300-400 Гц поступает в скважинный прибор по кабельной линии 27 связи, соединяющей наземный и скважинный приборы. Этот ток является также зондирующим током для глубинного зонда бокового каротажа и подается на его экранный электрод (нижнюю часть 7 буровой колонны). Второй полюс генератора 28 переменного тока заземлен через заземлитель 28 и служит обратным токовым электродом для глубинного зонда бокового каротажа, т.е. обратный токовый электрод отнесен на очень большое (несколько километров) расстояние от экранного и центрального электродов. При этом радиальная глубинность исследования существенно возрастает в сравнении с первым вариантом.
Процессы измерения инклинометрических и геофизических параметров при бурении осуществляются аналогично первому варианту. Передача же информации из передающего устройства 9 к приемно-регистрирующему наземному прибору производится по кабельной линии 27 связи.
Второй вариант комплексной геофизической аппаратуры может использоваться также для геофизических исследований уже пробуренных наклонно-направленных и горизонтальных скважин. При этом аппаратура доставляется к забою скважин с помощью колонны бурильных труб. Измерения инклинометрических и геофизических параметров выполняются при подъеме бурильных труб.
Таким образом, предлагаемая комплексная геофизическая аппаратура на бурильных трубах позволяет повысить геолого-геофизическую эффективность скважинных измерений в процессе бурения за счет расширения комплекса геофизических методов и соответственно возможности детального расчленения геологического разреза, выделения проницаемых пластов-коллекторов и оперативной оценке характера их насыщения как в терригенном, так и в карбонатном разрезах.
Расширяются также и функциональные возможности аппаратуры за счет ее применения как в процессе бурения скважин, так и для исследования уже пробуренных горизонтальных скважин. Возможно использование предлагаемой геофизической аппаратуры как основы геонавигационного комплекса (MWD+LWD-системы) для проводки горизонтальных и наклонно-направленных скважин с учетом реальной геологической обстановки.