СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КАЖУЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF APPARENT ELECTRIC RESISTANCE OF ROCKS IN CASED WELL

Предлагаемые способ и устройство относятся к области геофизических исследований скважин и предназначены для определения кажущегося электрического сопротивления горных пород в условиях обсаженных скважин.
Известны способы измерения кажущегося электрического сопротивления пород в условия обсаженных скважин ИНТЕХ-НЭК (ОАО НПП ГЕРС, г.Тверь, ЭКОС-31-7М (ООО НППГТ «Геофизика» г.Пятигорск), ЭКРАН (ЗАО ПГО «Тюменьпромгеофизика») [1], разработанные по одному принципу, предложенному профессором Альпиным Л.М. в 1939 г. [2] и развитом в работах Кауфмана А.А. [3, 4].
Известен способ, реализованный на аналогичном принципе в оборудовании CHFR (Schlumberger) [5].
В данных технологиях (способах) используются зонды, состоящие из токовых и измерительных электродов.
В процессе проведения исследования прибор создает в обсадной колонне ток, распространяющийся вниз и вверх по колонне и замыкающийся на поверхностный электрод. Основная составляющая тока (более 99.99%) протекает по колонне, в то время как небольшая часть отходит в породу - потенциал именно этой компоненты измеряется.
Измерения при данных технологиях производят следующим способом: на обсадную стальную колонну, сверху и снизу, симметрично относительно измерителей, поочередно во времени через токовые электроды подают ток питания силой в несколько ампер. Обратный токовый электрод располагается на поверхности (как правило, используется устье колонны соседней скважины). Производят измерения потенциала в точке N относительно удаленной точки, расположенной на устье скважины, в которой производят измерения, первой разности потенциала AU между точками приема потенциала (в аппаратуре ЭКОС-31-7М расстояние - 1 м) и второй разности потенциала d2U на измерительной базе M1NM2 (электрод N расположен посередине между электродами M1 и М2). Эти измерения производятся при стоянке прибора на точке, причем на каждой точке не менее двух раз: когда ток питания колонны подан через токовый электрод А1 и токовый электрод А2. Основное требование к проведению измерений - соблюдение условия стационарности измерений, то есть качественные измерения возможны лишь в том случае, когда условия проведения измерений не менялись на протяжении всего времени регистрации сигналов от обоих токов колонны [5].
8
-9
Типичное сопротивление пород примерно в 10 раз больше, чем сопротивление стальной обсадной колонны, поэтому измеряемая разность потенциалов находится в диапазоне первых нановольт и их долей (10 В).
Данный способ получил ограниченное применение в геофизических исследованиях нефтегазовых скважин старого фонда с конечной целью изучения коэффициента текущей нефтенасыщенности пород-коллекторов нефти [6-7].
Широкое применение этой технологии ограничено: во-первых, требованием хорошего полного контакта электродов с колонной, что очень сложно добиться в скважинах старого фонда, когда имеются значительные нарушения целостности колонны; во-вторых, - возможностью проведения только поточечных измерений с фиксированием блока измерительных датчиков в стволе скважины до 15 минут на каждой точке, что существенно увеличивает время исследований,
Зондовые устройства должны обеспечивать измерение электрического сопротивления в диапазоне 1-200 Омм в скважинах, заполненных проводящей жидкостью на водной основе и в смеси с нефтью, а также в сухих скважинах.
Таким образом, системы CHFR, применяемые в Schlwnberge, и ЭКОС-31-7М и НЭК, разработанные в России, не гарантируют необходимой точности определения измерения электрического сопротивления и, соответственно - определения текущей нефтенасыщенности коллекторов.
Целью предлагаемого решения является устранение недостатков известных указанных технологий путем создания технологии бесконтактных измерений кажущегося электрического сопротивления пород в условиях обсаженных скважин.
Поставленная цель достигается тем, что применен нестационарный режим измерения электромагнитного поля.
Основное отличие гармонического режима в импульсном варианте и нестационарного режима измерений в рассматриваемом аспекте заключается в том, что при гармоническом режиме измерение вторичного электромагнитного поля производят в период пропускания генераторного импульса, когда электромагнитное поле пропускаемого импульса во много раз превышает измеряемый сигнал, и много усилий надо приложить для того, чтобы скомпенсировать влияние генераторного сигнала, что и делается в технологии CHFR и созданных на его базе разработках. В случае применения нестационарного режима возбуждения и регистрации полей измерение принимаемого вихревого электромагнитного поля производится после выключения генераторного импульса, при этом детально регистрируется процесс спада электромагнитного поля в диапазоне паузы генераторного импульса, когда первичное поле полностью отсутствует.
-1
Кривая спада вторичного электромагнитного поля, близкая к закону е, отражает спад поля вихревых токов, возбужденных в породах нефтяного коллектора. Причем сигнал на относительно ранних временах содержит информацию о приближенных к скважине породах, а сигнал на поздних временах - об удаленных породах от скважины. На этом принципе построено зондирование околоскважинного пространства.
Применение нестационарного режима измерения позволяет производить регистрацию электромагнитного поля вихревых токов, возбуждаемых в породах на удалении от оси исследуемой скважины. В этом случае помехи (сигналы), обусловленные источниками, о которых полностью отсутствует информация (точные значения переходных сопротивлений систем колонна-зона проникновения, зона проникновения-порода и т.д.) исключаются априорно.
Нестационарный режим измерения электромагнитных полей достигается в возбуждении импульсов постоянного тока в соленоидной катушке длительностью до 150 ms и регистрацией переходного процесса полей приемным соленоидом в интервале относительно времен (200-500 ms).
Индукция (В) нестационарного вихревого электромагнитного поля спадает в диапазоне времен 0-500 ms (фиг.1) с момента выключения пропускаемого генерирующего сигнала.
В диапазоне 0-2 µs сигнал сильно осложнен собственными переходными процессами контуров и не подлежит интерпретации.
Индукция (В) нестационарного вихревого электромагнитного поля в диапазоне времен 0-200 ms определяется вихревыми электрическими токами в стальной колонне и в десятки раз сильнее индукции (В) магнитных полей, наводимых вихревыми токами в породах, слагающих разрез околоскважинного пространства
Измерения в предлагаемой технологии проводят в интервале времени 200 ms до 500 ms с момента отключения генерирующего сигнала.
Представленная на фиг.1 ЭДС во временном режиме рассчитана по известным положениям [8, стр.78-120].
Напряженность поля магнитного диполя (витка с током) с магнитным моментом М в плоскости витка равна:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>M</mi><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где r - расстояние от центра витка до точки измерения.
Магнитный момент многовиткового зонда с магнитным сердечником равен:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mi>I</mi><mi>n</mi><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
эфф
где µ - эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника, зависящая от геометрических параметров и материала сердечника;
I - сила тока в зонде;
n - число витков генераторной катушки зонда;
1
S - площадь сечения магнитного сердечника.
отн
Эффективная магнитная проницаемость сердечника из электротехнической стали цилиндрической формы длиной l=0.2 м с магнитной проницаемостью µ=400 единиц, диаметром d=0.015 м, то есть с величиной λ=l/d=13.3, составит:
<mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0.255</mn><mfrac><mrow><msubsup><mi>l</mi><mi>ω</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>0.765</mn><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>76.</mn><mtext>                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
-4
2
Сечение сердечника диаметра 0.015 м равно 1.8·10 м.
эфф
Магнитный момент М зонда, имеющего 500 витков провода и сердечник с µ=76, при токе в зонде 1 А, равен
-4
2
M=76·500·1·1.8·10=6.8 А·m.
Пренебрегая для примерной оценки различием поля соленоида и диполя при равенстве их магнитного момента, подставим значение М в формулу (1) и получим напряженность магнитного поля в стенках пятидюймовой (к примеру) трубы в точке, удаленной от центра трубы на r≈0.07 м,
H≈1500 A/m.
Напряженность магнитного поля в стенках трубы, создаваемая длинным зондом с магнитным сердечником, является величиной, близкой к уровню, при котором µ существенно зависит от возбуждающего поля.
Скорость и морфология кривой спада электромагнитного поля после выключения генераторного импульса зависит от силы вихревых токов в колонне и геологических породах-коллекторах нефти (фиг.2).
Измерения выполнены в интервале времен от 0 до 500 ms. Измерения проводят в период паузы между импульсами генерирующего сигнала (см. фиг.1).
Измерения показали достоверность полученных значений кажущего электрического сопротивления (ошибка измеренных значений и значений сопротивления отдельных литотипов модели на указанных расстояниях не превысила 5%) и хорошую повторяемость данных.
Данный способ позволяет производить измерение нестационарного электромагнитного поля в том диапазоне времен, когда эффект от влияния всех помех околоскважинных изменений стал исчезающе малым, и тем самым получать значения кажущегося электрического сопротивления на различных расстояниях от оси скважины по желанию интерпретатора.
Измерения при этом можно производить в непрерывном режиме без остановки скважинного измерительного устройства.
На основе выполненных расчетов разработано устройство для измерения напряженности электромагнитного поля.
Устройство относится к геофизическим исследованиям скважин и может быть применено для измерения кажущегося электрического сопротивления в обсаженных скважинах.
Известно устройство (ПИК-1) [9, стр.153] индукционного каротажа, используемое при геофизических исследованиях скважин (аналог), служащее для измерения кажущегося электрического сопротивления отдельных литотипов пород нефтяных коллекторов. Прибор ПИК-1 позволяет производить измерения электрического сопротивления пород только в условиях открытого ствола при отсутствии экранирующего влияния стальной обсадной колонны.
Известно устройство для измерения импульсов тока на основе катушки индуктивности (прототип), представляющее в своей основе соленоид [10, стр.471]. В этом устройстве наведенная ЭДС вызывает прямо пропорциональное изменение тока через индикаторную цепь, на которую нагружена катушка индуктивности, с которой снимаются данные.
ЭДС индукции определяется как [8, стр.78-90]:
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext>                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где U - напряжение на выводах катушки индуктивности;
L - индуктивность соленоидной катушки;
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>i</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
- скорость изменения тока, проходящего через соленоидную катушку индуктивности.
Применение прототипа для измерения кажущегося электрического сопротивления пород в условиях открытого ствола скважины возможно, если в породе возбудить вихревой ток, который, в свою очередь, вызовет наведенный индуктивный импульс в приемной катушке. По величине наведенного тока судят о значении кажущегося электрического сопротивления пород (фиг.2).
8
При работе в скважине в присутствии стальной обсадной колонны происходит экранирование приемной катушки, в процессе которого происходит снижение уровня поля, обусловленного токами в породе в 10 и более раз. Полезный сигнал в данном случае находится, из-за низкого уровня, за порогом чувствительности регистрирующего устройства.
Целью предполагаемого изобретения является создание технологии бесконтактных измерений кажущегося электрического сопротивления пород в условиях обсаженных скважин.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения кажущегося электрического сопротивления пород в условиях обсаженных скважин, содержащее генераторную и компенсационную катушки, размещенные соосно и коаксиально и соединенные встречно через источник зондирующего тока, приемную катушку, блок согласования и регистрирующее устройство, вход которого соединен с выходом блока согласования, снабженодополнительной катушкой индуктивности тороидальной формы, размещенной на сердечнике, выполненном из ферромагнитного материала, и соединенной с приемной катушкой через коммутирующие элементы и параллельно с блоком согласования, при этом время замкнутого состояния коммутирующих элементов должно превышать постоянную времени тороидальной катушки индуктивности, а время разомкнутого состояния коммутирующих элементов должно превышать время измерений и фиксирования сигнала с тороидальной катушки индуктивности.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является снабжение его дополнительной катушкой индуктивности тороидальной формы, размещенной на сердечнике, выполненном из ферромагнитного материала, и соединенной с приемной катушкой индуктивности через коммутирующие элементы и параллельно с блоком согласования, при этом время замкнутого состояния коммутирующих элементов должно превышать постоянную времени тороидальной катушки индуктивности, а время разомкнутого состояния коммутирующих элементов должно превышать время измерений и фиксирования сигнала с тороидальной катушки индуктивности.
Схема устройства для измерения кажущегося электрического сопротивления пород в условиях обсаженных скважин представлена на фиг.3 и содержит источник зондирующего поля, состоящий из источника зондирующего тока 1, генераторной 2 и компенсационной 3 катушек, приемной катушки 4, блок согласования 5, соединенный через кабель 6 с регистрирующим устройством 7, коммутирующие элементы 8, 9, соединенные с приемной катушкой 4 и дополнительной катушкой индуктивности тороидальной формы 10.
Устройство (фиг.3) работает следующим образом.
Генераторная катушка 2 является силовой и подбирается с условием получения максимально возможной энергии излучения для обеспечения высокого уровня энергии с целью возбуждения вихревых токов в породах заколонного пространства. Компенсационная катушка 3, включенная встречно относительно основной генераторной катушки, наводит вихревые токи в стальной обсадной колонне; уменьшенная относительно основной генераторной катушки 2 позволяет создать вихревое магнитное поле, силовые линии которого замыкаются на себя в пределах только стальной проводящей колонны.
При этом происходит компенсация влияния магнитного поля вихревых токов в колонне, сформированного в зоне приема на сигнал, поступающий на приемную катушку. При выполнении этого условия с приемной катушки 4 снимается сигнал, полностью зависящий только от сопротивления (проводимости) пород в заколонном пространстве. Этот информативный сигнал будет относительно мал (шунтирующее действие колонны) и находится за пределами чувствительности канала регистрации сигнала, включающего блок согласования 5, кабель 6 и регистрирующее устройство 7. Для увеличения уровня информативного сигнала схема устройства (фиг.3) снабжена дополнительной катушкой индуктивности тороидальной формы (10), размещенной на сердечнике, выполненном из ферромагнитного материала, и соединенной с приемной катушкой (4) через коммутирующие элементы (8, 9) и параллельно с блоком согласования (5), что позволяет получать на выходе (на выводах катушки 10) необходимый уровень сигнала. Коммутирующие элементы 8 и 9 являются синхронно управляемыми. Они имеют два рабочих положения (замкнуты или разомкнуты). При разомкнутом положении коммутирующих элементов сигнал, наведенный в приемной катушке 4, обуславливает ток через тороидальную катушку 10. В момент их размыкания в катушке 4 возникает импульс ЭДС самоиндукции, амплитуда которого пропорциональна скорости размыкания коммутирующих элементов 8 и 9. Время замкнутого состояния коммутирующих элементов 8 и 9 должно превышать значение постоянной времени катушки 10, а время разомкнутого состояния должно превышать время обработки сигнала с приемной катушки индуктивности 4. Обработка сигнала заключается в измерении его экстремального значения, реализуемого за счет пикового детектирования, определяемого пределами быстродействия коммутирующих элементов 8, 9. Основное условие работы предлагаемого устройства (фиг.3) - скорость размыкания коммутирующих элементов 8 и 9 обуславливает пропорциональное изменение тока во времени в катушке 10 в равенстве (4).
После резкого размыкания подводящих линий сигналы  поступают к катушке 10 через коммутирующие элементы 8 и 9, устройство является резонансным контуром ударного возбуждения, и на выводах тороидальной катушки индуктивности 10 возникают затухающие по амплитуде гармонические колебания. Уровень этих колебаний будет тем выше, чем выше добротность контура ударного возбуждения.
Таким образом, уровень измеряемого сигнала существенно повышается за счет наличия в схеме контура ударного возбуждения с применением дополнительной тороидальной катушки индуктивности с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала.
Регистрирующее устройство (7) производит измерения максимального по амплитуде возникающего колебания, полностью пропорционального наведенному в тороидальной катушке (10) полезного сигнала.
-9
Экспериментальные исследования показали возможность измерения сигнала, наводимого в катушке 4 силой,составляющей первые наноамперы (10 А).
Применение нестационарного режима регистрации позволяет разместить, к примеру, генераторную и приемную катушки на одной оси и совместить их, чтобы уменьшить габариты устройства, что имеет большое значение при конструировании скважинной аппаратуры.
Значение индукции (В) регистрируемого вторичного магнитного поля вихревого тока в той или иной литологической разности определяется силой этого тока, зависящего от кажущегося сопротивления (КС) конкретного литотипа, расположенного на зондируемых расстояниях. Определение значений КС по значениям регистрируемой магнитной индукции на конкретных временах спада сигнала сделано на основе принципов, изложенных в работе [8, стр.78-120].
Магнитное поле вихревых токов, возбуждаемых в колонне, достигает приемного датчика на ранних временах регистрации (до 139 ms). Сигнал от более удаленных зон коллектора поступает на датчик на временах после 150 ms.
Непосредственно зондирование по глубине среды осуществляется при системном сравнительном анализе кривых спада электромагнитного поля приемного зонда на относительно ранних 200-300 ms и поздних 300-500 ms временах регистрации (см. фиг.1). Технология взаимосвязи характера кривой спада нестационарного электромагнитного поля на ранних и поздних временах регистрации с глубиной зондирования известна [8, стр78-120].
Устройство позволило произвести зондирование в направлении радиуса от оси скважины при измерении значений кажущегося электрического сопротивления.
Точка привязки полученной информации по глубине находится в центре приемного блока соленоидов (фиг.4).
Результаты экспериментального опробования способа, реализованного в предлагаемом устройстве, представлено на фиг.5.
Измерения нестационарного поля, на основании значений которых рассчитаны значения кажущегося сопротивления, произведены на модели скважины с различными литотипами пород на расстояниях 1-0.35 м, 2-0.65 м, 3-0.95 м, 4-2.35 м. Позиции точек зондирования указаны на фиг.4.
Алгоритм расчетов заключается в следующем. Значение наведенной индукции, обусловленной вихревым током в породе, с приемной катушки индуктивности 4 и усиленное контуром ударного возбуждения поступает на регистрирующее устройство (7), где фиксируются значения напряжения, привязанные к конкретному времени регистрации. На основании [8] рассчитываются значения кажущегося электрического сопротивления, которые точно привязываются по значению времени к конкретному расстоянию от оси премного соленоида.
На фиг.5 даны значения кажущегося сопротивления, зафиксированные на расстоянии до 2.35 метра. Все значения фиксируются надежно, о чем свидетельствует незначительные вариации «разброса» данных, что укладывается в статистическую погрешность 5%.
Таким образом, предлагаемый способ измерения кажущегося электрического сопротивления пород в условиях обсаженных скважин и устройство для его реализации позволят без контакта с колонной получать качественную информацию по распределению параметров сопротивления с горных пород.
Использованная литература
1. С.М. Аксельрод. Измерение сопротивления пород через обсадную колонну (по материалам зарубежной литературы), НТВ «Каротажник», выпуск 75, Тверь, 2000 г.
2. Alpin LM: "The method of the electric logging in the borehole with casing," U.S.S.R. Patent №.56, 026 (November 30, 1939).
3. Kaufinan A.A.: "The Electrical Field in a Borehole with a Casing, «Geophysics 55», no. 1(1990):29-38.
4. Kaufinan A.A. and Wightman W.E.: "A Transmission-Line Model for Electrical Logging Through Casing, «.Geophysics», №.12, (1993):1739-1747.
5. Нефтяное обозрение, 2002, том 7, №2.
6. Н.И. Рыхлинский, В.А. Жуков, Ю.С. Климов, A.M. Казаков, Э.В. Диев, Особенности интерпретации данных метода наноэлектрического каротажа через обсадную колонну в условиях Западной Сибири, НТВ «Каротажник», выпуск 194, Тверь, 2010.
7. Е.С. Антипина, А.И. Губина. Некоторые результаты исследования информативности геофизических методов определения текущей нефтенасыщенности коллекторов через обсадную колонну, НТВ «Каротажник», выпуск 200, Тверь, 2011., стр.33-45.
8. Сидоров В.А. Импульсная индуктивная электроразведка - М: Недра, 1985. - 192 с.
9. Л.И. Померанц, В.Т. Чукин, Аппаратура и оборудование для геофизических исследований скважин, М., Недра, 1978.
10. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М., 1977.