УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАКРОАНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД
APPARATUS FOR MEASURING SPECIFIC CONDUCTIVITY AND ELECTRICAL MACROANISOTROPY OF ROCKS

Изобретение относится к области геофизических исследований в нефтегазовых скважинах, а именно к устройствам для изучения электрических свойств горных пород (коллекторов), окружающих скважину, зондами (скважинными излучателями) методом электромагнитного каротажа.
В настоящее время из уровня техники известен ряд устройств-аналогов, применяемых для определения электрической макроанизотропии горных пород, пластов и пространственной ориентации границ пластов по отношению к скважине, конструктивно выполненных в виде индукционных зондов (скважинных излучателей) с несколькими различно ориентированными генераторными и измерительными катушками, к примеру: «RtScanner» (производитель Schlumberger, источник: http://www.slb.com) или Устройство для определения удельной электропроводности породы вблизи бурового долота с использованием тороидальных катушек (US Patent №3,305,771).
В первом аналоге источник и приемник состоят из совмещенных ортогональных катушек, а измерения осуществляют на нескольких расстояниях. Совмещенные трехкомпонентные источник и приемник позволяют измерять полный тензор переменного магнитного поля и соответствующих ему ЭДС. Основными недостатками определения электрической макроанизотропии с использованием трехкомпонентных индукционных систем являются малые значения сигналов перекрестных компонент, сильное влияние формы скважины, несовместность измерений в силу разных механизмов осреднения удельного электрического сопротивления (далее - УЭС) для разных компонент, а также сильная потеря точности определения вертикального УЭС при больших значениях коэффициента электрической макроанизотропии. Второй аналог включает проводящий сердечник, который ориентирован вдоль скважины с возможностью перемещения вдоль скважины (каротаж). На проводящий сердечник в определенных точках по длине устройства помещены две тороидальные генераторные катушки. Индуцированный генераторными катушками ток протекает по сердечнику и стекает в призабойную породу вокруг скважины. Измерительные катушки тороидального типа на сердечнике размещены симметрично, ток по проводящему сердечнику и измеряемая ЭДС зависят от удельной электропроводности (далее - УЭП) окружающей породы. Устройство включает прижимные устройства, с помощью которых зонд прижимают к стенке скважины для лучшего электрического контакта с породой. К числу недостатков второго аналога относятся: невозможность измерения электрической макроанизотропии горных пород, минимальное число измеряемых сигналов, подверженных значительному влиянию магнитных свойств бурильной трубы (или корпуса прибора), что не обеспечивает возможность многочастотных измерений; в свою очередь это не позволяет достичь высокого пространственного разрешения и необходимой точности измерений.
Наиболее близким к изобретению устройством для измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород (прототипом) является устройство по US Patent. №7,227,363. Устройство включает единственный зонд, состоящий из генератора тока - тороидальной катушки, расположенной на металлическом корпусе. Также на корпусе расположены две приемных тороидальных катушки и набор изолированных от корпуса кнопочных электродов, которые расположены между двумя приемными катушками. Электрический ток «течет» вдоль поверхности корпуса устройства, при этом его часть стекает в окружающую среду (т.н. «боковой» ток). К числу недостатков прототипа можно отнести: отсутствие возможности высокого пространственного разрешения из-за ограничения количества независимых измерений; отсутствие возможности многочастотных измерений, асимметрия зонда по глубине.
Технической целью (задачей) заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а его техническим результатом - создание устройства для измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород, обеспечивающего высокое вертикальное и радиальное разрешение и позволяющего проводить измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород, окружающих скважину.
1
-4
Поставленная задача достигается тем, что заявляемое устройство выполнено в цилиндрическом металлическом корпусе и оснащено тороидальными генераторными и тороидальными приемными катушками, конструктивно выполнено в немагнитном корпусе, генераторные и приемные катушки установлены внутри корпуса на немагнитном стрежне, генераторные катушки расположены на противоположных концах стержня, с возможностью синфазного, противофазного и компенсационного включения, а между генераторными катушками расположено заданное число приемных катушек на известном расстоянии друг от друга, при этом приемные катушки для измерения плотности тока выполнены на ферромагнитном сердечнике, а приемные катушки для измерения наведенной ЭДС выполнены на диэлектрическом сердечнике (жирным выделены существенные признаки изобретения, отличающие его от прототипа). Именно вышеуказанная совокупность признаков обеспечивает получение изобретением заявленного технического результата. В частности, расположение генераторных и приемных катушек на стержне внутри корпуса позволяет не только оградить измерительную часть устройства от внешних механических воздействий, но и увеличить мощность излучаемого сигнала. Использование немагнитного корпуса и немагнитного стержня позволяет минимизировать магнитострикционный эффект при измерениях (как известно, магнитные характеристики металлов сильно зависят от температуры и давления в скважине и эти зависимости вносят в измеряемые сигналы существенный и неконтролируемый вклад, искажая его зависимость от УЭП и электрической макроанизотропии горных пород). Применение нескольких взаимодополняющих тороидальных приемных катушек, выполненных на ферромагнитном и диэлектрическом сердечниках необходимо для расширения диапазона регистрируемых значений УЭП горных пород (значения УЭП горных пород, окружающих скважину, изменяются в очень широких пределах (от 10 до 10 См/м); это приводит к изменению сигналов на 6 порядков и затруднениям их измерений одной приемной катушкой, поэтому слабые сигналы измеряются катушкой с ферромагнитным сердечником, а сильные сигналы катушкой с диэлектрическим сердечником; эти приемные катушки предназначены для измерения плотности тока на корпусе прибора и наведенной э.д.с. в тороидальной катушке).
Изобретение, в своих частных случаях выполнения, характеризуется признаками, указанными в предыдущем абзаце, в совокупности со следующими признаками:
1) Электромагнитное возбуждение тока осуществляется генераторными тороидальными катушками известной конструкции в диапазоне частот от 5 кГц до 500 кГц.
2) Одна из приемных тороидальных катушек может быть расположена по центру зондовой системы.
3) Измерения осуществляются зондами в диапазоне длин от 0.2 до 1.0 м.
Перечень графических чертежей, поясняющих сущность заявляемого изобретения:
Фиг.1 - общий вид конструктивной схемы технического решения (вид сбоку).
Фиг.2 - пространственные распределения реальной (а) и мнимой (б) составляющих плотности вихревого тока в пласте в зависимости от частоты.
Устройство для измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород включает в себя следующие элементы (Фиг.1): корпус 1, стержень 11, генераторные катушки 12, 13, приемные катушки 14, 15, 16, 17, 18, генератор сигнала (условно не показан), блок измерительной аппаратуры (условно не показан), блок управления и передачи данных (условно не показан).
Многосекционный корпус 1 предлагаемого устройства состоит из немагнитных проводящих секций 2, 3, 4, 5, 20, 21, 22, 23, непроводящих вставок 6, 7, 8 между проводящими секциями, немагнитного металлического стержня 11 с закрепленными на нем генераторными и приемными катушками.
Генераторная катушка 12 помещается на стержень 11 между проводящими секциями 2 и 3 (в нижней части устройства) внутри непроводящей вставки 6. Генераторная катушка 13 помещаются на стержне 11 между проводящими секциями 4 и 5 (в верхней части устройства) внутри непроводящей вставки 8.
Приемные катушки 14, 15, 16, 17, 18 помещаются на стержне 11 между проводящими секциями 3, 20, 21, 22, 23, 4 и разделены непроводящими вставками 7. Приемная катушка 16 размещена на заданном расстоянии от генераторных катушек 12, 13. Приемные катушки 14, 15 расположены симметрично катушкам 17, 18 относительно катушки 16. Внутри корпуса 1 размещен генератор сигнала (условно не показан), блок измерительной аппаратуры (условно не показан) и блок управления и передачи данных (условно не показан).
Отметим, что генераторные и приемные катушки представлены тороидальными катушками общеизвестной конструкции, с магнитным или немагнитным непроводящим сердечником.
Стержень 11 имеет гальванический контакт с проводящими секциями 2 и 5 через концевые проводники 9 и 10, соответственно. Концевые проводники герметично закрывают внутреннее пространство зонда, ограниченное корпусом 1. Стержень 11 имеет электрический контакт с секциями 3, 4, 20, 21, 22, 23 через упругие контактные пружины 19. Стержень 11 может быть выполнен в виде единой полой металлической трубы или в виде составного проводника с проводящими втулками под размеры генераторных тороидальных катушек, которые индуцируют в стержне 11 вихревой электрический ток. Материал стержня обладает высокой электрической проводимостью.
Заявляемое устройство работает следующим образом: на обмотку генераторных катушек 12 и 13 подается переменный электрический ток с генератора сигналов (условно не показан), посредством чего, в окружающей среде возбуждается переменное электрическое поле, проникающее на достаточную для исследования глубину и имеющее как горизонтальную, так и вертикальную компоненты.
Блок измерительной аппаратуры (условно не показан) измеряет электрический ток на выводах приемных катушек 14, 16, 18 и ЭДС в катушках 15, 17. В приемных тороидальных катушках 15, 17 измеряются реальные и мнимые составляющие ЭДС, а в катушках 14, 16, 18 измеряются реальная и мнимая составляющие параллельной корпусу компоненты плотности вихревого тока. Благодаря высокой электропроводности металла последняя будет значительной даже при невысоких значениях моментов генераторных катушек. При этом регистрируемые в приемных тороидальных катушках сигналы будут зависеть не только от горизонтальной, но и от вертикальной УЭП, пересекаемого скважиной пласта.
Техническое решение позволяет реализовать два режима возбуждения-измерения:
1) Электромагнитное возбуждение тока осуществляется двумя тороидальными генераторными катушками, включенными встречно, при этом в одной из генераторных катушек, являющейся компенсационной, изменяют величину электрического тока так, чтобы измеренные амплитуды э.д.с. и поверхностного тока в одной из приемных катушек, расположенных в центре между генераторными катушками, были равны нулю (в этом случае можно измерять активную и реактивную составляющие тока компенсационной катушки);
2) Электромагнитное возбуждение тока осуществляется двумя тороидальными генераторными катушками, включенными встречно, при этом в одной из генераторных катушек, являющейся компенсационной, можно изменять величину тока так, чтобы измеренные амплитуды ЭДС и поверхностного тока в каждой из приемных катушек, расположенных между генераторными катушками, поочередно были равны нулю, также возможно дополнительно измерять активную и реактивную составляющие тока компенсационной катушки.
Первый, суммарный режим: токи в генераторных катушках равны, проводятся измерения абсолютных и/или относительных характеристик электромагнитного поля с последующим определением диагональных элементов тензора УЭП. Смысл второго, дифференциального режима состоит в том, что при стабильном токе в нижней генераторной катушке - в верхней генераторной катушке задается компенсирующий ток. Его величина устанавливается таким образом, чтобы на центральных приемных катушках измеренная амплитуда ЭДС и поверхностного вихревого тока были меньше уровня помех. Такой способ обеспечит не только компенсацию влияния однородной по вертикали части среды (в первую очередь скважины, во вторую - зон проникновения внутри однородных коллекторов), но и даст возможность подчеркнуть тонкие пласты, их границы и зоны трещиноватости. Обобщая основную идею, укажем: в суммарном режиме, измеряя абсолютные и относительные характеристики электромагнитного поля, можно определить компоненты тензора УЭП. В дифференциальном режиме диаграммы измеренного компенсационного тока позволяют детально расчленять разрез по вертикали, выделяя границы пластов и зоны трещиноватости.
При этом радиальная глубинность обеспечивается: 1) измерением электромагнитных откликов, слабо зависящих от влияния корпуса прибора и бурового раствора, 2) совместной инверсией полного набора данных измерений. Сопоставление данных об электрической макроанизотропии, полученных из значений ЭДС и поверхностного тока в тороидальных катушках, и данных о детальной структуре тонкослоистого коллектора, полученных из значений компенсационных токов, позволяет достоверно устанавливать тип флюидонасыщения и эффективную мощность коллектора.
-9
Далее, на основе численного моделирования и анализа электромагнитных сигналов в однородных, слоисто-однородных изотропных и макроанизотропных средах выполнен полномасштабный анализ измеряемых сигналов в рассматриваемой зондовой системе предлагаемого устройства. Проведенный анализ источников измеряемых сигналов показал, что при возбуждении тороидальной катушкой на металлическом корпусе переменного тока, в среде возникает вихревое переменное электрическое поле. Основным источником измеряемых электромагнитных сигналов является вихревой ток в среде. На Фиг.2 показаны пространственные распределения реальной (а) и мнимой (б) составляющих плотности вихревого тока в пласте с УЭС 5 Ом·м в зависимости от частоты (5, 50 и 500 кГц). Источник расположен в начале координат. Генераторная тороидальная катушка расположена на металлическом корпусе радиусом 0.051 м с УЭС 0.57·10 Ом·м. Двухслойная цилиндрическая модель включает скважину радиусом 0.108 м с УЭС бурового раствора 2 Ом·м. Как видно, возбуждаемый в среде вихревой ток имеет как горизонтальную, так и вертикальную компоненты. Это обеспечивает зависимость измеряемых электромагнитных сигналов как от горизонтального, так и от вертикального УЭС пласта. Пространственное распределение источников измеряемых сигналов указывает на значительную глубинность и локальность исследований. Это обеспечивает высокое вертикальное и радиальное разрешение.