СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ИНДУКЦИОННОГО КАРОТАЖА ИЗ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН
METHOD OF IMPULSE INDUCTION ELECTRIC CORING FROM CASED WELLS

Предлагаемый способ относится к области геофизических исследований геологоразведочных скважин на переменном токе, возбуждаемом индуктивным способом в условиях обсаженных промысловых скважин и предназначен для определения удельного электрического сопротивления вмещающих горных пород в заколонном пространстве. Область преимущественного применения - изучение геоэлектрических свойств пластов горных пород за обсадной колонной скважины, продуктивных на углеводородное сырье.
Известен способ электрического каротажа за обсадной колонной скважины, предложенный Альпиным Л.М [1] и развитым в работах [2-4] и реализующая этот способ аппаратура, в котором сопротивление вмещающих пород определяют, измеряя падения напряжения от протекающего по железной трубе скважины электрического тока при помощи измерительных электродов, находящихся в непосредственном контакте с внутренней поверхностью трубы.
Способу электрического каротажа присущи существенные недостатки: во-первых, требованием хорошего контакта питающих и приемных электродов с колонной; во-вторых, - возможностью проведения только поточечных измерений, что существенно увеличивает время исследований. При этом не учитываются значения сопротивлений зоны цементации, зоны проникновения и ряда переходных зон на пути тока, протекающего от питающих электродов в скважине к электроду, расположенному на поверхности земли.
Известен способ индукционного каротажа за обсадной колонной скважины [5], в котором сопротивление вмещающих пород определяют по результату вычитания (subtracting) двух измерений осевой составляющей магнитной индукции, создаваемых гармоническим током различной частоты в последовательно (alternatively) включаемых двух соосных генераторных индуктивных катушках, расположенных выше и ниже измерительной катушки на нескольких частотах диапазона от 0,001 Гц и 20 Гц (п. 2).
Существенным недостатком этого способа является малая величина полезной (аномальной) части магнитного поля, содержащаяся в каждом из двух последовательных измерений поля от тока в генераторных катушках и в величине их разности. Определение величины удельного сопротивления пород по этому способу будет приводить к большим погрешностям.
Наиболее близким техническим решением является способ индукционного каротажа [6, 7], взятый нами в качестве способа - прототипа. В способе-прототипе сопротивление вмещающих пород за обсадной колонной скважины определяют по результату измерений мнимой квадратуры осевой составляющей магнитной индукции, создаваемой гармоническими токами в двух соосных генераторных индуктивных катушках с различными встречными моментами, расположенных на разном расстоянии от измерительной катушки на нескольких частотах диапазона от 0.1 до 10 кГц. Величины моментов генераторных катушек и их различные расстояния от измерительной катушки подобраны так, что измеряемая мнимая квадратура осевой составляющей магнитной индукции в обсадной колонне, находящейся в непроводящей среде (воздухе), была равна нулю. Существенной особенностью этого способа является проведение измерений поля в условиях скомпенсированного влияния проводящей обсадной колонны скважины.
Недостатком способа-прототипа является сложность технической реализации создания гармонического поля в широком спектре частот с детальной дискретизацией частот для определения величин экстремальных значений измеряемого магнитного поля.
Новизна предлагаемого способа усматривается в том, что измерения ЭДС спада поля, создаваемого импульсным током внешнего источника, осуществляют в условиях, когда влияние проводящей обсадной колонны скомпенсировано (близко к нулю) с детальными измерениями во времени ЭДС спада.
Цель предполагаемого технического решения - повышение точности определения удельного сопротивления вмещающих пород в заколонном пространстве обсаженных скважин с компенсацией влияния проводящей обсадной колонны.
Поставленная цель достигается тем, что в способе индукционного каротажа возбуждают электромагнитное поле в окружающей среде импульсным током в двух соосных генераторных индуктивных катушках с различными встречными моментами, перемещаемыми по исследуемой скважине, а по величине ЭДС спада осевой составляющей магнитной индукции, измеряемой с помощью измерительной катушки и расположенной между генераторными катушками, производят определение величины удельного электрического сопротивления вмещающих горных пород.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.
Z1
Z2
z1
z2
Устройство содержит генераторное устройство 1, два излучателя - возбуждающая катушка 2 с моментом M и возбуждающая катушка 3 с моментом M, размещенные соосно и соединенные встречно-последовательно к генераторному устройству, осевая измерительная катушка ЭДС магнитной индукции 4, усилитель сигнала 5, аналого-цифровой преобразователь 6 и регистрирующее устройство 7. Моменты катушек 3 М и 4 M встречные и направлены параллельно оси скважины. Момент измерительной катушки ЭДС магнитной индукции 4 направлен по оси скважины.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Электромагнитное поле в окружающем пространстве создают импульсным током силой J, протекающем в возбуждающих катушках 2 и 3 с встречными моментами, параллельными оси скважины Z, с помощью генераторного устройства 1. Выходное напряжение ЭДС с измерительной катушки 4 поступает через усилитель сигнала 5 в аналого-цифровой преобразователь 6, в котором осуществляется определение величины ЭДС магнитной индукции и далее в регистрирующее устройство 7.
1
2
z1
z2
Расстояния L и L генераторных катушек 2 и 3 от измерительной катушки 4, величины их встречных моментов М и M подобраны таким образом, чтобы измеряемая катушкой 4 величина ЭДС спада магнитной индукции устройства, помещенного в обсадную проводящую колонну в непроводящей среде, была скомпенсирована (близка к нулю).
Компенсацию влияния проводящей обсадной колонны проводят при предварительной калибровке устройства, помещенного внутрь обсадной колонны, находящейся в воздухе, либо в интервал обсаженной скважины с высокоомными породами (с удельным сопротивлением пород ρ>100 Ом*м). При помещении установки в исследуемую скважину с обсадной колонной, за счет индукции и возникновения вихревых токов во вмещающей проводящей среде измеряемая величина ЭДС будет отличаться от нуля.
На фиг. 2-4 представлены материалы, поясняющие принцип реализации предлагаемого технического решения.
z1
z2
1
2
z1
z2
1
2
Для определения удельного электрического сопротивления пород в заколонном пространстве обсаженной скважины используется несимметричная установка из двух соосных генераторных катушек с различными моментами встречного направления М≠-M. В точке измерений N, расположенной на этой же оси на различном расстоянии L≠L между генераторными катушками измеряется ЭДС спада осевой составляющей магнитной индукции (фиг. 1). Моменты М и M, а также расстояния L и L подобраны так, чтобы измеряемая величина ЭДС спада электромагнитного поля квадрупольной установки, помещенной внутрь обсадной колонны в воздухе, была скомпенсирована (равна нулю).
-6
3
-7
-3
Параметры расчетов: сила тока J=1 А, радиусы катушек 3 и 4=0,05 м, разносы L1=0.1 м и L2=0.5 м., обсадная колонна: наружный диаметр D=0.15 м, удельное электрическое сопротивление ρ=5⋅10 Ом⋅м, толщина h=0.01 м. (продольная проводимость S=h/ρ≈2⋅10 См); величины удельных электрических сопротивлений вмещающих горных пород ρ от 5 до 50 Ом⋅м (шифр кривых), пространство скважины, где расположен скважинный прибор, является диэлектриком ρ=∞ Ом⋅м, диапазон времен спада t=10÷10 с.
3
На фиг. 2 приведены кривые спада ЭДС от квадрупольной установки с разносами L1=1.0 м L2=1.5 м на оси скважины в зависимости от различного удельного электрического сопротивления вмещающей среды при α=0.075 м, S=2⋅10 См.
а
Различия амплитуд кривых ЭДС спада обусловлены различным удельным электрическим сопротивлением вмещающей среды в заколонном пространстве. Времена, соответствующие экстремальным величинам ЭДС определяются только характеристиками обсадной колонны: радиусом  и продольной проводимостью S (толщиной h и удельной электропроводностью колонны).
Величина амплитуды ЭДС и разрешение по удельному электрическому сопротивлению ρ вмещающей среды в заколонном пространстве увеличивается по мере уменьшения размера несимметричной компенсационной установки. Однако при этом требуется более точная компенсация поля квадрупольной установки в точке измерений.
Как видно из фиг. 2 предлагаемый способ с использованием несимметричной квадрупольной установки позволяет определять удельное электрическое сопротивление вмещающих горных пород за обсадной колонной скважины по экстремальным значениям величины спада ЭДС.
а
3
Графики определения величины ρ среды в зависимости от амплитуды спада ЭДС поля квадрупольной установки с разносами L1=1.0 м L2=1.5 м приведены на фиг. 3 при =0.075 м, S=2⋅10 См.
Квадрупольная установка с двумя диполями встречных моментов, находящихся на различном расстоянии от измерительной катушки, компенсирует вклад в измеряемую ЭДС спада от встречных индукционных токов, наводящиеся в проводящей обсадной колонне. При этом индукционные токи, наводимые во вмещающей проводящей среде за обсадной колонной, не скомпенсированы, поскольку моменты генераторных катушек и их расстояния до измерительной катушки различные.
ϕ
На фиг. 4 приведены графики напряженности электрического поля E на расстоянии R за обсадной колонной на трех временах спада t с удалением от оси скважины.
Как видно из приведенных графиков фиг. 4, на каждом из приведенных трех времен спада t с удалением от обсадной колонны скважины электрическое поле является не скомпенсированным, а его экстремальная величина наблюдается на расстоянии R, сравнимом с размером максимального разноса установки L=1.5 м.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в повышении точности определения сопротивления вмещающих пород в заколонном пространстве обсаженных скважин.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом. Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств.
Источники информации
1. Альпин Л.М. Способ электрического кароттажа обсаженных скважин. АС СССР №56026, 30.11.1939 г.
2. Kaufman A.A.: The Electrical Field in a Borehole with a Casing. Geophysics 55, №1 (1990): P. 29-38.
3. Kaufman A.A. and Wightman W.E.: A Transmission-Line Model for Electrical Logging Through Casing. Geophysics. №. 12, 1993. P. 1739-1747.
4. Электрический каротаж через обсадную колонну. Опыт внедрения. Феофилов Д.Т., Булатов А.В., Шкварок И.Р. // Нефтегаз, Вып. 1, 2008.
http://www.neftepixel.ru/node/193
5. Vail, III; William B. Methods and Apparatus For Induction Logging in Cased Boreholes. U.S. Patent No. 4748415. May 31, 1988.
6. Ратушняк A.H., Теплухин B.K., Наянзин A.H. Способ индукционного каротажа из обсаженных скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ №2614853. 29.03.2017 Бюл. №10.
7. Ратушняк А.Н. Теплухин В.К. Теоретические и экспериментальные основы индукционных методов исследований скважин. - Екатеринбург: УрО РАН, 2017. 127 с. ISBN 978-5-7691-2479-2.