СПОСОБ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF NUCLEAR-MAGNETIC LOGGING AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу (ЯМК), применяемому для исследования нефтяных и газовых скважин.
Известен способ ядерно-магнитного каротажа, включающий поляризацию пластов, пересеченных скважиной, постоянным магнитным полем, плавное выключение поляризующего поля, последующее включение переменного фазирующего магнитного поля с частотой, равной частоте прецессии, и одновременное с ним включение расфазирующего переменного магнитного поля, напряженность которого падает в радиальном направлении пропорционально третьей и большей степени расстояния с частотой 0,5-2 от частоты прецессии. При этом разрушается когерентность прецессии отдельных составляющих вектора ядерной намагниченности и тем самым исключается образование сигналов от ближней к скважинному прибору зоны, то есть от ствола скважины и зоны кольматации [авторское свидетельство СССР № 957142, МКИ G01V 3/32, 1982].
Основным недостатком способа является то, что при десяти-двадцатикратном уменьшении сигнала от ствола скважины (промывочной жидкости) полезный сигнал от пласта уменьшается в 2-3 раза, что существенно снижает точность результатов ЯМК.
Наиболее близким к изобретению является способ и устройство ядерно-магнитного каротажа [GB № 2056082, G01N 24/08, 11.03.81], содержащее зонд, состоящий из основной катушки индуктивности для создания постоянного магнитного поля (поля поляризации) путем пропускания в течение времени поляризации через нее постоянного тока, который намагничивает жидкость в стволе скважины и в горной породе вблизи стенки скважины, т.е. создает вектор ядерной намагниченности, и последующего после выключения поля поляризации наблюдения сигнала свободной прецессии (ССП) этого вектора в магнитном поле Земли, и при этом создается неоднородность магнитного поля путем пропускания через нее постоянного тока напряженностью 0,05-0,005 Э в течение времени наблюдения ССП, используя для этого дополнительный источник питания и ключ. Тем самым исключается сигнал от ствола скважины.
Недостатком такого способа и устройства является изменение времени поперечной релаксации (то есть искажение формы сигнала свободной прецессии) вследствие действия во время приема сигнала СП постоянного тока, что, в свою очередь, ведет к ошибке вычисления (определения) начальной амплитуды сигнала ЯМК.
Задачей изобретения является увеличение степени подавления сигнала от ствола скважины при минимальном уменьшении полезного сигнала от пласта, тем самым увеличивается точность измерений и, как следствие, повышается точность определения начальной амплитуды сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в способе ядерно-магнитного каротажа, включающем поляризацию пластов, пересеченных скважиной, постоянным магнитным полем, создание дополнительного расфазирующего постоянного магнитного поля, выключение поляризующего поля и наблюдение сигнала свободной прецессии в магнитном поле Земли, действие дополнительного расфазирующего постоянного магнитного поля происходит сразу после выключения поляризующего магнитного поля до момента начала измерения сигнала, причем дополнительно в стволе скважины создаются одно или несколько последовательных (или параллельных) во времени расфазирующих постоянных магнитных полей, результирующая напряженность которых падает в радиальном направлении обратно пропорционально пятой и более степени расстояния, и их длительность действия лежит в пределах от 5 мсек до 20 мсек. Напряженность дополнительного расфазирующего постоянного магнитного поля, образованного одним или несколькими полями, составляет порядка 0,05 Гс. Длительность действия дополнительного поля и ее величина обусловлены выбором глубины его проникновения, то есть должно быть ограничено стволом скважины и не должно действовать на полезный сигнал от пласта. При выходе из границ предлагаемых параметров расфазирующего магнитного поля эффективность способа резко падает.
Сущность изобретения состоит в том, что в области, подлежащей исключению из измерений, дополнительным магнитным полем нарушается однородность магнитного поля Земли вблизи скважинного прибора, то есть ствола скважины, и сигнал от этой области не наблюдается.
В устройстве ядерно-магнитного каротажа, содержащем основную катушку индуктивности для поляризации (намагничивания) пластового флюида и дополнительную катушку для приема сигналов свободной прецессии, измерительный усилитель, устройство, обеспечивающее попеременное подключение катушки к источнику тока поляризации и после истечении времени поляризации подключение ее ко входу измерительного усилителя скважинного прибора, поверхностной панели, обеспечивающей необходимые режимы работы устройства в целом, введены одна или четное количество катушек, расположенных на основной катушке индуктивности, плоскости дополнительных катушек перпендикулярны оси основной катушки, а витки одной из дополнительных катушек расположены между витками другой дополнительной катушки. При этом соседние витки имеют встречное направление намотки. Основная катушка при этом используется и для поляризации, и для приема сигналов СП.
Длина намотки дополнительных катушек (или одной катушки) соответствует длине основной катушки индуктивности зонда скважинного прибора. Шаг намотки или, другими словами, расстояние между соседними витками составляет 3 см, величина постоянного тока, пропускаемого через них, равна 1,8-2А при длительности от 5 мсек до 20 мсек, в данном конкретном случае 15 мсек. Такое соблюдение указанной конструкции дополнительных катушек, параметров дополнительного расфазирующего постоянного магнитного поля позволяет наиболее эффективно использовать предлагаемое изобретение с точки зрения четкости границы между зоной исключения сигнала, то есть ствола скважины и зоной приема полезного сигнала, то есть пласта. При изменении расстояния между соседними витками необходимо изменять величину тока, пропускаемого через них, поскольку степень подавления сигналов от ближней к скважинному прибору зоны зависит от совокупности этих параметров. При изменении диаметра основной катушки индуктивности зонда скважинного прибора также необходимо изменять параметры намотки дополнительных катушек и параметры импульсов дополнительного расфазирующего магнитного поля.
Новым также является то, что устройство содержит схему, обеспечивающую подачу импульсов тока в дополнительные катушки необходимой величины и длительности, а также их последовательное или одновременное включение и выключение, которое происходит в интервале от момента выключения тока поляризации в зонде и до начала наблюдения полезного сигнала.
Проведенные исследования в патентной и научно-технической литературе позволяет сделать вывод о том, что идентичных решений, касающихся способов ядерно-магнитного каротажа с использованием наблюдения сигнала свободной прецессии в магнитном поле Земли и устройств для его осуществления в науке и технике нет.
На фиг.1, 2, 3 представлены схемы расположения и намотки одной или четного количества дополнительных катушек на основной катушке зонда скважинного прибора. При реализации способа с помощью двух катушек (фиг.1) сначала наматывается одна катушка, затем вторая наматывается так, чтобы ее витки находились между витками первой, причем соседние витки имели встречное направление. Стрелками показаны направления витков в дополнительных катушках. Реализацию способа в случае одной дополнительной катушки конструктивно можно выполнить в нескольких вариантах. На фиг.2 дополнительная катушка сначала наматывается в одном направлении, затем в месте окончания основной катушки направление меняется на противоположное, и далее она наматывается в обратном направлении, то есть возвращается в начало. Таким образом, соседние витки имеют встречное направление. На фиг.3 изображен способ намотки одной катушки, в которой каждый последующий виток имеет встречное направление намотки с предыдущим. То есть конец одного витка является началом другого. На фиг.4 изображен характер спада напряженности результирующего магнитного поля, создаваемого этими катушками, в направлении, перпендикулярном оси скважины и оси прибора. Видно, что в области, ограниченной радиусом скважины, значение дополнительного расфазирующего поля, образованного дополнительными катушками (или одной катушкой), имеет максимальное значение и резко спадает обратно пропорционально пятой и более степени расстояния от оси основной катушки, выходя за границы, соответствующие стволу скважины. На фиг.5 представлен вид распределения магнитного поля, создаваемого дополнительными катушками по всей длине их намотки X. Видно, что на расстоянии от оси основной катушки, равном радиусу скважины, создается максимальная неоднородность магнитного поля и, как следствие, в области, ограниченной этим радиусом, исключается образование сигнала свободной прецессии.
Устройство ядерно-магнитного каротажа (фиг.6) состоит из скважинного прибора 3, наземной панели 4 и кабеля 5, соединяющего их. Скважинный прибор состоит из электронного блока 6 и зонда 7, который, в свою очередь, содержит основную катушку индуктивности 1 для возбуждения и приема сигналов свободной прецессии и дополнительных одной или четного количества катушек 2, намотанных на нее. В данном случае изображена одна дополнительная катушка, намотанная по типу намотки, изображенной на фиг.2. Пространство зонда скважинного прибора залито манометрической жидкостью 8. В электронном блоке расположены основные электронные схемы скважинного прибора, в том числе измерительный усилитель 9 для выделения полезного сигнала на фоне помех, а также блок трансформации 10, обеспечивающий поочередное подключение основной катушки 1 и дополнительных катушек 2 к соответствующим схемам. Блок управления 11 наземной панели 4 обеспечивает необходимые режимы для работы устройства в целом; блок питания 12 обеспечивает устройство необходимыми для работы напряжениями.
п
д
с
Устройство для ядерно-магнитного каротажа работает следующим образом. Напряжение поляризации по жилам кабеля 5 передается в скважинный прибор 3, которое через блок трансформации 10 подается на основную катушку 1, создавая тем самым вектор ядерной намагниченности в области, окружающей скважинный прибор, в том числе в стволе скважины и в пласте. По истечении времени поляризации прекращается подача напряжения на основную катушку 1, то есть ток поляризации выключается. В момент полного его выключения блок трансформации 10 подключает дополнительные катушки 2 к схеме, обеспечивающей протекание тока определенной величины и длительности через них. В зависимости от выбранного и установленного режима схема обеспечивает прохождение тока через дополнительные катушки за один или два импульса. После окончания действия дополнительного расфазирующего постоянного магнитного поля, образованного с помощью дополнительных катушек 2, блок трансформации 10 обеспечивает подключение основной катушки 1 к измерительному усилителю 9 скважинного прибора 3, и сигнал по жилам кабеля 5 передается на наземную панель 4. Далее весь цикл повторяется. На фиг.7 представлены временные диаграммы напряженностей поляризующего Н поля а), дополнительного Н расфазирующего поля б) и диаграмма полезного Н сигнала в).
На фиг.8 представлены результаты проверки эффективности предлагаемого способа и устройства на модели Государственного стандартного образца индекса свободного флюида, представляющего собой два коаксиально расположенных цилиндра разного диаметра, пространство между которыми имитировало пласт, а внутренний цилиндр представлял собой модель ствола скважины. С помощью предлагаемого устройства и согласно предлагаемому способу поочередно измерялся сигнал СП от ствола модели и пласта. Из чертежа видно, что с увеличением тока, пропускаемого через дополнительную катушку, что соответствует увеличению напряженности расфазирующего постоянного магнитного поля, сигнал от модели ствола снижается (порядка 80-100 раз), а от модели пласта уменьшается минимально, что доказывает эффективность предлагаемого способа и устройства.
На фиг.9 представлен пример применения предлагаемого изобретения в скважине. При проведении ядерно-магнитного каротажа в обычном режиме полезный сигнал вообще нельзя выделить на фоне сигнала от такого раствора (колонка справа). После включения режима, использующего предлагаемый способ и устройство подавления сигнала от ствола скважины, удается провести качественный замер с четким расчленением разреза скважины и получением достоверной информации о свойствах исследуемых пластов в виде кривых амплитуд сигнала свободной прецессии. Удалось получить снижение сигнала от промывочной жидкости в этой скважине в 70 раз.
Предлагаемые способ и устройство прошли опробования в скважинах в различных регионах России и получены хорошие результаты, доказывающие их эффективность.