СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМАЦИЙ
SYSTEM FOR DETECTION OF GEOLOGICAL FORMATIONS

Настоящее изобретение относится к системе обнаружения геологических формаций, а именно, но не исключительно, к системе, используемой для нефтепоисковых работ, а также для определения характеристик и для контроля углеводородных месторождений.
В области нефтепоисковых работ на существующем уровне техники применяются методы разведки, целью которых является реконструкция строения и характера подстилающего слоя грунта вблизи углеводородного месторождения.
В последние годы методы разведки, основанные на анализе отклика на электромагнитное возбуждение подстилающего слоя грунта, показали себя в высокой степени эффективными.
С этой целью формируют электромагнитное поле и регистрируют электромагнитный отклик подстилающего слоя грунта, интенсивность и фаза которого зависит от электрической проводимости объектов на пути распространения сигнала.
Электрическое удельное сопротивление (величина, обратная проводимости) формации, с другой стороны, зависит от различных факторов, таких как степень насыщения, содержание соли в воде, присутствующей в геологических формациях, минералогического состава и т.п.
Измерение удельного электрического сопротивления различных слоев, образующих породную формацию, и, следовательно, информация о ее составе могут быть получены на основе обнаружения вторичного электромагнитного поля.
Учитывая, что углеводороды имеют значительно меньшую проводимость и, следовательно, значительно более высокое удельное сопротивление, чем обычная осадочная порода, пропитанная водой, методы электромагнитной разведки позволяют локализовывать углеводородные месторождения, при этом их результатами можно руководствоваться при бурении, а также использовать их для контроля потоков вокруг эксплуатационной скважины.
Для практической реализации методов электромагнитной разведки на существующем уровне техники применяют системы обнаружения, имеющие в своем составе электромагнитное передающее устройство и электромагнитное приемное устройство.
Известно, что электромагнитные передающие устройства, с целью формирования электромагнитного поля для разведки, могут иметь в своем составе один или более электрических диполей или по меньшей мере металлический виток, по которому проходит переменный ток, тогда как приемные устройства, как правило, имеют в своем составе электрический квадруполь, связанный по меньшей мере с одним магнитометром.
Такие системы обнаружения способны давать различные степени пространственного разрешения и/или глубины проникновения, в зависимости от интенсивности и частоты электромагнитного поля, формируемого с целью разведки.
Эти параметры в значительной степени связаны с взаимным расположением электромагнитных передающих и приемных устройств, входящих в состав системы обнаружения.
А именно, первый тип систем обнаружения имеет в своем составе электромагнитное передающее устройство, расположенное в глубине внутри эксплуатационной скважины, и электромагнитное приемное устройство, установленное на поверхности окружающей геологической формации.
В этом случае электромагнитное поле, формируемое в глубине скважины, распространяется внутри расположенной выше геологической формации до тех пор, пока оно не будет зарегистрировано электромагнитным приемным устройством, расположенным на поверхности.
В ограниченном пространстве эксплуатационной скважины невозможна установка крупногабаритных электромагнитных передающих устройства, а следовательно, невозможно обеспечить формирование электромагнитного поля, интенсивности которого было бы достаточно для обнаружения его на поверхности после распространения сквозь геологическую формацию.
В этих условиях, чтобы обеспечить возможность распространения формируемого электромагнитного поля в подстилающем слое грунта и его регистрацию на поверхности как сигнала, отличимого от сигнала помех, необходимо формировать низкочастотные электромагнитные поля, которые, разумеется, дают низкое пространственное разрешение при измерении электрической проводимости. В системах обнаружения первого типа отсутствует возможность получения измерений с высоким пространственным разрешением в широкой области вокруг эксплуатационной скважины.
Системы обнаружения второго типа, с другой стороны, имеют в своем составе электромагнитное передающее устройство, расположенное на поверхности геологической формации вблизи эксплуатационной скважины, и электромагнитное приемное устройство, расположенное в глубине внутри этой же скважины.
В этом случае нет ограничения на размер передающего устройства и, следовательно, на интенсивность формируемого им электромагнитного поля. Таким образом, возможна передача электромагнитных полей высокой интенсивности, способных распространяться вглубь геологической формации. Однако распространение электромагнитного поля внутри геологической формации, как правило, сопровождается значительным ослаблением, и, как следствие, точные измерения в отношении очень глубоких областей и областей, удаленных от электромагнитного приемного устройства, не могут быть получены.
Системы обнаружения третьего типа включают электромагнитное передающее устройство и электромагнитное приемное устройство, как правило, имеющие в своем составе пару катушек, оба из которых расположены в глубине внутри эксплуатационной скважины.
В этом случае высокоточные измерения проводимости могут быть получены только для геологических формаций, расположенных непосредственно вблизи эксплуатационной скважины, так как формирование электромагнитных полей высокой интенсивности невозможно из-за ограниченного пространства, в котором установлено передающее устройство, а также в результате взаимной индукции, возникающей между электромагнитными передающими устройствами и электромагнитными приемными устройствам.
Важно отметить, что все описанные выше системы обнаружения не позволяют осуществлять измерения в реальном времени при бурении скважины, поскольку они зависят от работы по меньшей мере одного устройства, установленного внутри собственно скважины.
Целью настоящего изобретения является преодоление указанных выше недостатков, а именно: создание системы обнаружения геологических формаций, способной обеспечить комбинацию измерений, имеющих точность, достаточную для определения геометрических характеристик геологической формации в трех измерениях, например геологической формации, расположенной вблизи углеводородного месторождения.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему обнаружения геологических формаций, обеспечивающую возможность контроля эволюции геологической формации с течением времени при помощи измерений, выполняемых в реальном времени.
Эти, а также другие цели в соответствии с настоящим изобретением достигаются путем создания системы обнаружения геологических формаций по п.1 формулы изобретения.
Дополнительные характеристики упомянутой системы обнаружения геологических формаций являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Характеристики и преимущества системы обнаружения геологических формаций в соответствии с настоящим изобретением могут быть поняты более детально из дальнейшего описания, которое является неограничивающим и иллюстративным, и ссылается на приложенные эскизные чертежи, где:
- фиг.1 представляет собой эскизное изображение одного из вариантов осуществления системы обнаружения в соответствии с настоящим изобретением;
- фиг.2 представляет собой блок-схему системы обнаружения, показанной на фиг.1;
- фиг.3 представляет собой эскизное изображение приемного устройства, входящего в состав системы обнаружения фиг.1.
Со ссылками на чертежи рассмотрим систему 10 обнаружения геологических формаций, которая включает электромагнитное передающее устройство 11, расположенное на поверхности геологической формации 12 вблизи первой скважины 13, имеющей вертикальное направление бурения, и электромагнитное приемное устройство 14, расположенное в глубине внутри упомянутой первой скважины 13.
Более детально, скважина 13 охвачена металлической обсадной колонной 18, имеющей протяжение практически по всей длине упомянутой скважины.
Электромагнитное передающее устройство 11 соединено с первым блоком 15 обработки данных с целью управления и питания этого передающего устройства 11; при этом упомянутый блок 15 обработки данных также расположен на поверхности.
Аналогично, приемное устройство связано со вторым блоком 16 обработки данных для управления и питания приемного устройства 14, а также для получения и обработки собранных им данных.
Упомянутый второй блок 16 обнаружения геологических формаций расположен в первой скважине 13 вблизи приемного устройства 14.
Первый и второй блоки 15, 16 обработки данных соединены друг с другом при помощи составных кабелей (не показаны на чертеже), которые служат для передачи данных и питания.
В соответствии с настоящим изобретением, передающее устройство 11 включает средства 20 формирования электромагнитного поля, способные формировать первичное электромагнитное поле, сфокусированное в направлении металлической обсадной колонны 18.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения упомянутые средства 20 формирования электромагнитного поля включают по меньшей мере первый металлический виток 21, имеющий, предпочтительно, диаметр около 200 метров, расположенный концентрично первой скважине 13.
В дополнение, или вместо упомянутого по меньшей мере одного металлического витка 21, средства 20 формирования электромагнитного поля включают по меньшей мере пару электрических диполей 22, установленных параллельно поверхности геологической формации 12 и расположенных симметрично относительно первой скважины 13.
Средства 20 формирования электромагнитного поля включают, предпочтительно, две пары электрических диполей, проиллюстрированных на фиг.1, попарно ортогональных друг другу, при этом все они параллельны плоскости поверхности геологической формации 12.
Средства 20 формирования электромагнитного поля, предпочтительно в дополнение к упомянутым двум парам электрических диполей, включают третий электрический диполь (не показан), который расположен во второй скважине (не показана), имеющей вертикальное направление бурения и, предпочтительно, не более 100-200 метров в глубину; при этом упомянутый третий диполь расположен параллельно упомянутому направлению бурения.
В любом случае средства 20 формирования электромагнитного поля способны работать в заданном временном интервале, в заданном частотном диапазоне или с использованием постоянного тока.
Приемное устройство 14 включает средства обнаружения электромагнитного поля 30 и включает, предпочтительно, множество электродов, коаксиальных первой скважине 13 и расположенных так, чтобы образовывать по меньшей мере три электрических диполя 23, способных измерять составляющую электрического поля вдоль направления бурения первой скважины 13, в дополнение к градиенту упомянутого поля в вертикальном направлении.
Упомянутые коаксиальные электроды размещены на покрытии из изолирующего материала, которое по меньшей мере частично охватывает металлическую обсадную колонну 18.
Таким образом упомянутые электроды являются электрически изолированными от металлической обсадной колонны 18 и в то же время имеют электрический контакт с геологической формацией первой скважины 13.
В зависимости от глубины размещения электроды могут обеспечивать возможность осуществлять контроль изменения насыщения в углеводородном месторождении со временем.
Электрические диполи 23, входящие в состав приемного устройства 14, должны быть установлены в первой скважине 13 снаружи металлической обсадной колонны, в противном случае они будут измерять нулевое электрическое поле.
Средства 30 обнаружения электромагнитного поля также включают по меньшей мере один магнитометр 24, предпочтительно, второй металлический виток, чувствительный к вертикальной составляющей магнитного поля. Магнитометр может быть расположен как внутри, так и снаружи металлической обсадной колонны 18.
Если средства 30 обнаружения электромагнитного поля включают два или более магнитометра, расположенных вдоль вертикального направления бурения первой скважины 13, то может быть также получен градиент магнитного поля в этом направлении.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения система 10 обнаружения также имеет в своем составе поверхностное приемное устройство (не показано), расположенное на поверхности геологической формации 12 и включающее средства обнаружения (не показаны), установленные на поверхности.
Упомянутые средства обнаружения, установленные на поверхности, предпочтительно включают по меньшей мере три электрических диполя и по меньшей мере один магнитометр.
В соответствии с одним из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения, система 10 обнаружения геологических формаций имеет в своем составе подводное оборудование (не показано), подходящее для помещения в него электромагнитного передающего устройства и его установки на морском дне, если упомянутая эксплуатационная скважина представляет собой подводную скважину.
Далее описано функционирование системы 10 обнаружения геологических формаций.
Передающее устройство 11 питается от первого блока 15 обработки данных и излучает первичное электромагнитное поле высокой интенсивности, формируемое средствами 20 формирования электромагнитного поля.
Первичное электромагнитное поле, излучаемое передающим устройством 11, может быть высокочастотным или низкочастотным, в зависимости от требований, касающихся спектрального разрешения и глубины разведки. Далее в настоящем документе описание ведется, исключительно с целью иллюстрации и без ограничения, на примере низкочастотного первичного электромагнитного поля.
В этом случае, однако, несмотря на то, что излучение электромагнитного поля происходит с низкой частотой, спонтанно возникают естественные высокочастотные гармоники, которые могут регистрироваться теми же самыми приемниками и использоваться для более детализированного анализа.
Средства 20 формирования электромагнитного поля, предпочтительно, способны создавать электромагнитное поле, сфокусированное в направлении металлической обсадной колонны 18.
Упомянутое первичное электромагнитное поле распространяется в глубину скважины 13 и связано с металлической обсадной колонной 18.
Металлическая обсадная колонна 18, подвергаясь воздействию первичного электромагнитного поля, действует как антенна, излучающая это поле на различной глубине в соответствии с иллюстрацией на фиг.1; этому эффекту способствует высокая магнитная проницаемость, которой обладает металлическая обсадная колонна 18.
Таким образом система 10 обнаружения функционирует, как если бы она имела множество источников вдоль стенок первой скважины 13, сохраняя при этом преимущества, вытекающие из внешней установки средств 20 формирования электромагнитного поля.
Электромагнитное поле, излучаемое металлической обсадной колонной 18, формирует множество вихревых токов, которые циркулируют в геологической формации 12 вокруг первой скважины 13.
Эти вихревые токи порождают вторичное электромагнитное поле, интенсивность и фаза которого зависят от электромагнитных свойств слоев породы, образующих геологическую формацию 12, через которые проходят эти вихревые токи.
Это вторичное электромагнитное поле регистрируется, предпочтительно, приемным устройством 14, расположенным в первой скважине 13, с уровнем интенсивности, обеспечивающим возможность отличить его от помех.
А именно, средства 30 обнаружения электромагнитного поля, входящие в состав приемного устройства 14, чувствительны к составляющей электрического поля и магнитного поля, параллельным вертикальному направлению.
Очевидно, что таким образом может быть обнаружено положение горизонтальных геологических границ раздела. В соответствии с этими геологическими поверхностями неоднородности, под воздействием электромагнитного поля фактически создается неоднородность заряда и, следовательно, неоднородность ортогональной составляющей электрического поля на этих границах разделов. Второй блок 16 обработки данных принимает данные измерений, осуществленных приемным устройством 14, и вычисляет градиент измеренных таким образом электрического и магнитного полей вдоль вертикального направления.
Измерение градиента электрического поля позволяет предсказать наличие геологических границ раздела до того, как до них дойдет скважина.
Также второй блок 16 обработки данных на основе полученной информации выполняет процедуру обработки данных, при помощи которой получают пространственное распределение электрических свойств слоев, образующих геологическую формацию 12, вместе с локализацией поверхностей границ раздела между этими слоями.
Чтобы гарантировать полноту информации о геологической формации 12, выполняют множество обнаружений сигналов, соответствующих первичному электромагнитному полю, формируемому с разными частотами.
В этом случае средства 20 формирования электромагнитного поля излучают электромагнитные поля с изменяющимися во времени частотами.
Таким образом, отклик геологической формации 12 может регистрироваться также для электромагнитных полей с различными частотами.
Следует также отметить, что разведка, осуществляемая системой 10 обнаружения, способна предоставлять информацию о геологических формациях даже на расстоянии сотен метров от первой скважины 13.
Если средства 20 формирования электромагнитного поля включают третий электрический диполь, помимо двух пар электрических диполей, и они взаимно ортогональны, то может обеспечиваться получение характеристик геологической формации 12 в трех измерениях.
В этом случае, фактически, формируются поляризованные электромагнитные поля в трех направлениях декартова пространства, которые по своей природе чувствительны к неоднородностям электрических свойств в соответствующих им направлениях поляризации.
Если система 10 обнаружения оснащена приемным устройством, расположенным на поверхности, в состав которого входят средства обнаружения, расположенные на поверхности и распределенные по большой площади геологической формации 12, то металлическая обсадная колонна 18 обеспечивает поддержание вторичного электромагнитного поля, чтобы оно могло быть обнаружено на поверхности и было отличимо от сигнала помех.
Данные, полученные приемным устройством, обрабатываются первым блоком 15 обработки данных на основе процедуры, которая аналогична осуществляемой вторым блоком 16 обработки данных над данными, полученными первым приемным устройством 14.
Электромагнитные поля, попадающие на металлическую обсадную колонну 18, порождают электрические токи, которые при соответствующих интенсивностях и частотах нагревают металлическую обсадную колонну 18 вследствие эффекта Джоуля.
Данный эффект нагрева может обеспечивать источник тепла, формируемый электромагнитным способом и способный нагревать геологические формации, окружающие скважину. Таким образом можно оптимизировать коэффициент отдачи тяжелой нефти, обеспечить нагрев углеводородного месторождения с целью значительного снижения вязкости нефти, а также упростить добычу нефти.
Характеристики системы обнаружения геологических формаций, цели настоящего изобретения, а также его сравнительные преимущества могут быть поняты на основе предшествующего описания.
Действительно, совместное применение приемного устройства, расположенного в первой скважине, и средств формирования электромагнитного поля, способных формировать электромагнитные поля, сфокусированные в направлении металлической обсадной колонны, позволяет получить карту удельного сопротивления геологической формации не только вблизи скважины, но также и в пределах крайне обширной области вокруг нее.
Металлическая обсадная колонна, фактически, функционирует как вторичный источник поля, поддерживающий и излучающий первичное электромагнитное поле на различной глубине.
Первичное электромагнитное поле, сфокусированное в направлении скважины, способно, фактически, распространяться в глубину, претерпевая меньшее ослабление, чем это происходит в случае распространения внутри геологической формации. Это позволяет обеспечить излучение электромагнитных полей высокой интенсивности также на очень больших глубинах.
Расположение приемного устройства в глубине внутри первой скважины повышает разрешение обнаружения геологических формаций в непосредственной близости от скважины.
Также, если имеется приемное устройство на поверхности, то во время бурения могут быть также получены характеристики геологической формации, окружающей скважину.
Это позволяет управлять процедурами бурения таким образом, чтобы максимизировать добычу углеводородов.
Наконец, система обнаружения геологических формаций, предложенная в настоящем изобретении, очевидно, может претерпевать множество модификаций и иметь множество вариантов, все из которых попадают в рамки настоящего изобретения; при этом любые детали могут быть заменены на технически эквивалентные элементы. При практической реализации используемые материалы и размеры могут изменяться в зависимости от технических требований.