СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАКРОАНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD TO MEASURE SPECIFIC ELECTRIC CONDUCTIVITY AND ELECTRIC MACROANISOTROPY OF ROCKS

Изобретение относится к области геофизических исследований в нефтегазовых скважинах, а именно к способам изучения электрических свойств горных пород (коллекторов), окружающих скважину, методом электромагнитного каротажа.
В настоящее время из уровня техники известен ряд способов-аналогов, применяемых для определения электрической макроанизотропии горных пород, в частности способ определения коэффициента электрической макроанизотропии в процессе бурения «PeriScope» (Schlumberger, www.slb.com). Измерения выполняют зондами, включающими коаксиальные и поперечные генераторные катушки и коаксиальные наклонные (45°) приемные катушки. Данный способ используется для определения удельной электропроводности (далее - УЭП) или обратной ей величины удельного электрического сопротивления (далее - УЭС), а также коэффициента электрической макроанизотропии и угла наклона границ пластов относительно скважины.
Основными недостатками этого способа определения электрической макроанизотропии горных пород являются малые значения сигналов перекрестных компонент, сильное влияние формы скважины, несовместность измерений в силу разных механизмов осреднения УЭС для разных компонент в тонкослоистых средах, а также резкая потеря точности определения вертикального УЭС при больших значениях коэффициента электрической макроанизотропии.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению способом для определения коэффициента электрической макроанизотропии горных пород (прототипом) является изобретение по Патенту US №7227363. Реализуется данный способ следующим образом:
посредством специального генератора создают «течение» переменного тока вдоль корпуса прибора, часть которого стекает в окружающую среду (т.н. «боковой ток»). Затем измеряют разность сигналов между приемными тороидальными катушками, выделяя реальную и мнимую составляющие бокового тока, после чего по каждой из составляющих определяют кажущуюся УЭП. В дальнейшем вычисляют коэффициент электрической макроанизотропии на основании измеренных обоих значений кажущейся УЭП.
К числу недостатков прототипа можно отнести: отсутствие возможности высокого пространственного разрешения из-за ограничения количества независимых измерений; отсутствие возможности многочастотных измерений.
Технической целью (задачей) заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а его техническим результатом - создание способа для измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород, обеспечивающего высокое пространственное разрешение и позволяющего проводить измерения УЭП и электрической макроанизотропии горных пород, окружающих скважину.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом техническом решении электромагнитное возбуждение тока осуществляется тороидальной катушкой, ток «течет» вдоль проводящей поверхности корпуса каротажного прибора, при этом измеряется реальная и мнимая составляющие тока, стекающего с различных участков поверхности корпуса каротажного прибора, непосредственно измерение осуществляют при помощи заданного числа соосно расположенных тороидальных катушек, крайние из которых являются генераторными и включены в электрическую цепь синфазно и противофазно, а остальные - приемными, электромагнитное возбуждение тока осуществляют в широком диапазоне частот, при этом на каждой частоте измеряют реальные и мнимые составляющие как соосной каротажному прибору компоненты плотности тока, так и электродвижущей силы несколькими зондами различной длины, затем по данным измерений определяют пространственное распределение вертикальной и горизонтальной УЭП и коэффициент электрической макроанизотропии (жирным выделены существенные признаки изобретения, отличающие его от прототипа). Именно вышеуказанная совокупность признаков обеспечивает получение изобретением заявленного технического результата.
Изобретение, в своих частных случаях выполнения, характеризуется признаками, указанными в предыдущем абзаце, в совокупности со следующим:
1) Электромагнитное возбуждение тока производят двумя тороидальными генераторными катушками, включенными встречно, при этом в одной из генераторных катушек, являющейся компенсационной, величина тока изменяется так, чтобы измеренные амплитуды электродвижущей силы и поверхностного тока в одной из приемных катушек, расположенных между генераторными катушками, были равны нулю, в этом случае можно измерять реальную и мнимую составляющие тока компенсационной катушки.
2) Электромагнитное возбуждение тока предлагается осуществлять генераторными тороидальными катушками в диапазоне частот от 5 до 500 кГц.
3) Измерения предлагается осуществлять зондами в диапазоне длин от 0.2 до 1.0 м.
Перечень графических чертежей, поясняющих сущность заявляемого изобретения:
Фиг.1 - зависимости амплитуд плотности тока и эдс от УЭС однородной среды для двухкатушечного зонда (длина 0.6 м, частоты 5-500 кГц);
Фиг.2 - зависимости амплитуд плотности тока и эдс от УЭС однородной среды для двухкатушечного зонда (длины 0.2-1.2 м, частота 50 кГц);
Фиг.3 - зависимости амплитуд плотности тока и эдс от горизонтального УЭС однородной среды (коэффициент электрической анизотропии 1-4) для двухкатушечного зонда (длина 0.6 м, частота 50 кГц);
Фиг.4 - зависимости амплитуд плотности тока и эдс от коэффициента электрической анизотропии однородной среды для двухкатушечного зонда (длина 0.6 м, частота 50 кГц).
Заявляемое изобретение реализуется следующим образом: на обмотку генераторных тороидальных катушек подается переменный электрический ток, посредством чего в окружающей среде возбуждается переменное электрическое поле, проникающее на достаточную для исследования глубину и имеющее как горизонтальную, так и вертикальную компоненты. Затем последовательно измеряет электрический ток на выводах приемных тороидальных катушек, реальную и мнимую составляющие электродвижущей силы, реальную и мнимую составляющие параллельной корпусу компоненты плотности вихревого тока. После этого по данным измерений определяют пространственное распределение горизонтальной и вертикальной УЭП среды и коэффициент электрической макроанизотропии. В дальнейшем, сопоставляют данные об электрической макроанизотропии, полученные из значений электродвижущей силы в тороидальных приемных катушках и поверхностного тока, с данными о детальной структуре тонкослоистого коллектора в разрезе, полученными из значений компенсационных токов, что позволяет достоверно устанавливать тип флюидонасыщения и эффективную мощность изучаемого коллектора.
Техническое решение позволяет реализовать два режима измерения. Первый, суммарный режим: электромагнитное возбуждение тока осуществляется двумя генераторными тороидальными катушками, включенными встречно, при этом в одной из генераторных катушек, являющейся компенсационной, изменяют величину электрического тока так, чтобы измеренные амплитуды эдс и поверхностного тока в одной из приемных катушек были равны нулю. Смысл второго, дифференциального режима состоит в том, что при стабильном электрическом токе в нижней генераторной тороидальной катушке - в верхней генераторной катушке задается компенсирующий ток. Его величина устанавливается таким образом, чтобы в каждой из приемных катушек, измеренная амплитуда эдс и поверхностного вихревого тока были равны нулю.
Высокое пространственное разрешение электромагнитного зонда с тороидальными катушками обусловлено использованием набора частот и катушек (частотно-геометрическое зондирование), применением двух режимов измерений (суммарный и дифференциальный), а также высоким уровнем полезного сигнала.
На основе численного моделирования и анализа электромагнитных сигналов в однородных, слоисто-однородных изотропных и макроанизотропных средах выполнен полномасштабный анализ измеряемых сигналов в заданной конфигурации каротажного прибора. Проведенный анализ источников измеряемых сигналов показал, что при возбуждении тороидальной катушкой на металлическом корпусе в среде возникает вихревое переменное электрическое поле, имеющее как горизонтальную, так и вертикальную компоненты. Это определяет зависимость измеряемых электромагнитных сигналов от горизонтальной и вертикальной УЭП пласта.
На Фиг.1 и 2 показаны зависимости амплитуд плотности тока и эдс от УЭС однородной среды для двухкатушечного зонда (фиг.1 - длина 0.6 м, частота 5-500 кГц; фиг.2 - длины 0.2-1.2 м, частота 50 кГц).
-9
Генераторная тороидальная катушка расположена на металлическом корпусе радиусом 0.051 м с УЭС 0.57·10 Ом·м. Численное моделирование измеряемых сигналов выполнено при условии, что произведение моментов генераторной катушки и измерительного датчика равно единице. Приведены зависимости амплитуд плотности тока на корпусе прибора и эдс в приемной тороидальной катушке от УЭС однородной среды (1-200 Ом·м). Измеряемые амплитуды плотности тока и эдс характеризуются высоким уровнем и имеют большой динамический диапазон. Измеряемые сигналы значительно зависят от частоты, что указывает на преобладание частотного зондирования. При этом с повышением частоты зависимость сигналов от длины зонда увеличивается.
На Фиг.3 и 4 приведены зависимости амплитуд плотности тока и эдс от горизонтального УЭС однородной среды (Фиг.3) и коэффициента электрической макроанизотропии однородной среды (Фиг.4). Проведено моделирование измеряемых сигналов для однородной макроанизотропной среды с горизонтальным УЭС 1-200 Ом·м и коэффициентом электрической макроанизотропии 1-4 для двухкатушечного зонда (длина 0.6 м, частота 50 кГц). Представленные зависимости указывают на однозначную связь измеряемых характеристик с коэффициентом электрической макроанизотропии. Указанные зависимости позволяют создать соответствующие трансформанты измеряемых характеристик для оценки коэффициента электрической макроанизотропии.
Проведенное численное моделирование и сравнительный анализ электромагнитных характеристик показывают, что измерения являются линейно-независимыми и они однозначно связаны с УЭС пласта и коэффициентом электрической макроанизотропии.