СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА
MEASUREMENT METHODS AND DEVICES FOR FILTRATION POTENTIALS AND DETERMINATION OF CHARACTERISTICS OF UNDERGROUND FORMATION

Уровень техники изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройствам и способам для измерения фильтрационных потенциалов, являющихся результатом переходных процессов изменения давления в подземном пласте, пересекаемом стволом скважины. Настоящее изобретение также относится к способам осуществления исследований, касающихся определения характеристик подземного пласта, по результатам измерений фильтрационного потенциала. Одной такой характеристикой является проницаемость пласта на различных глубинах, но изобретение не ограничено этим.
2. Уровень техники
Предыстория возможности осуществления измерений фильтрационных потенциалов в пластах, пересекаемых стволом скважины, является долгой. В патенте США №2433746, 1947, Doll предположил, что сильная вибрация скважинного устройства в стволе скважины может вызывать осцилляции давления и перемещение флюида относительно пласта, что, в свою очередь, может приводить к возрастанию доступных для измерения фильтрационных потенциалов, обусловленных эффектом электрокинетических потенциалов. В патенте США №2814017, 1957, Doll предложил способы исследования проницаемостей подземных пластов путем измерения разностей фаз между периодическими волнами давления, проходящими через пласты, и потенциалов, создаваемых при колебательном перемещении пластового флюида, вызванном этими волнами давления. С другой стороны, было предложено использовать периодически изменяющийся электрический ток для создания колебательного перемещения пластового флюида, приводящего, в свою очередь, к формированию в пласте периодических волн давления. В результате осуществления измерения сдвига фаз между создающими и создаваемыми физическими величинами будет получаться непосредственный показатель относительной проницаемости пласта.
В патенте США №3599085 (Semmelink А.) под названием "Apparatus for well logging by measuring and comparing potentials caused by sonic excitation", 1971, было предложено прикладывать к поверхности пласта низкочастотную акустическую энергию с тем, чтобы создавать мощные электрокинетические импульсы или импульсы течения в непосредственной близости от акустического генератора. В соответствии с раскрытием этого патента электрокинетические импульсы, являющиеся результатом сдавливания (т.е. состязания вязкости и инерции) пласта, и импульсы фильтрационного потенциала вызывают периодические перемещения пластового флюида относительно породы пласта. Перемещение флюида создает обнаруживаемые электрокинетические потенциалы на той же самой частоте, которую имеет приложенная акустическая энергия, и имеющие в любом заданном месте величины, прямо пропорциональные скорости движения флюида и обратно пропорциональные квадрату расстояния от геометрического места точек импульсов фильтрационного потенциала. Поскольку, как было обнаружено, скорость флюида снижается относительно первоначального значения с увеличением расстояния, проходимого через пласт, с темпом, отчасти зависящим от проницаемости породы пласта, то было сделано предположение, что величина электрокинетического потенциала на любом заданном расстоянии от импульса дает относительный показатель проницаемости пласта. Получив отношение величин (амплитуд синусоид) электрокинетического потенциала в местах, отстоящих от акустического генератора, по которому можно найти эффективную глубину проникновения электрокинетического потенциала, в свою очередь, можно определить действительную проницаемость.
В патенте США №4427944, 1984, Chandler предложил скважинный прибор стационарного типа и способ для определения проницаемости пласта. Скважинный прибор включает в себя прижимной каротажный зонд, который приводят в зацепление с поверхностью пласта в нужном месте и который включает в себя средство для нагнетания флюида в пласт и электроды для измерения переходных процессов изменения электрокинетических фильтрационных потенциалов и времени отклика на нагнетание флюида. Нагнетание флюида является эффективным для возбуждения в пласте импульсов давления, которые вызывают в пласте переходное течение. Chandler предложил измерять характеристическое время отклика переходных фильтрационных потенциалов, создаваемых в пласте таким течением, чтобы получать точную информацию относительно проницаемости пласта.
В патенте США №5503001, 1996, Wong предложил способ и устройство для измерения фильтрационного потенциала конечной частоты и электроосмотического напряжения, наведенных вследствие приложения осцилляции давления с конечной частотой и переменного тока. Предложенное устройство включает в себя электромеханический преобразователь, который на конечной частоте создает осцилляции перепада давлений между двумя точками, и множество электродов, с помощью которых обнаруживаются перепад давлений и сигнал фильтрационного потенциала между теми же самыми двумя точками вблизи источника прикладываемого давления и на той же самой частоте путем использования синхронного усилителя или цифрового анализатора частотной характеристики. Wong считает, что, поскольку посредством устройства измерения осуществляется измерение перепада давлений на конечных частотах между двумя точками пористой среды вблизи источника прикладываемого давления (или тока), то этим существенно уменьшается влияние фоновых помех, создаваемых гидростатическим давлением, обусловленным глубиной залегания измеряемого пласта.
Несмотря на долгую предысторию и многочисленные идеи из предшествующего уровня техники, заявитель считает, что на самом деле до полевых измерений, выполненных в подтверждение настоящего изобретения, скважинные измерения переходных процессов изменения фильтрационного потенциала на реальных нефтяных месторождениях никогда не проводились. Имеются несколько причин отсутствия фактической реализации предложенных вариантов осуществления из предшествующего уровня техники. Wong считает, что ни измерение фильтрационного потенциала, ни измерение электроосмотического потенциала само по себе не дает надежного показателя проницаемости пласта, особенно пласта с низкой проницаемостью. Wong утверждает, что попытки измерения сигнала фильтрационного потенциала с помощью электродов, находящихся на расстояниях друг от друга, превышающих одну длину волны, являются ошибочными, поскольку осцилляции давления распространяются как акустическая волна, и перепад давлений будет зависеть от величины и фазы волны, а сигнал фильтрационного потенциала будет очень слабым, так как значительная часть энергии потеряется на вязкое рассеяние на всем протяжении этого расстояния. Кроме того, Wong утверждает, что приложение к пласту постоянного тока и измерение переходного напряжения во временной области не дадут эффекта в пластах с низкой проницаемостью, поскольку при более длительном времени отклика и очень низком сигнале фильтрационного потенциала на поверхности раздела электродов в динамике во времени будут превалировать дрейфы напряжения. Поэтому, несмотря на теоретические возможности, сформулированные в предшествующем уровне техники, общепринятая точка зрения специалистов в данной области техники (на которых Wong ориентируется) заключается в том, что практические измерения фильтрационного потенциала не могут быть осуществлены вследствие низких уровней сигналов, высоких уровней шумов, плохого пространственного разрешения и недостаточной долговременной стабильности. Несомненно, трудно получать данные о переходном процессе изменения давления с высоким пространственным разрешением, поскольку ствол скважины является по существу изобарической областью. С помощью датчиков давления, помещаемых внутрь ствола скважины, нельзя получать подробную информацию о переходных процессах изменения давления внутри пласта, если пласт является неоднородным. Чтобы сделать это, необходимо разделять ствол скважины на гидравлически изолированные зоны, что является трудной и требующей больших затрат задачей. Кроме того, должно быть понятно, что некоторые предложенные приборы из предшествующего уровня техники, даже если они и функционируют так, как задумано, находят чрезвычайно узкое применение. Например, прибор, который предложил Chandler, будет работать в пробуренных стволах скважин только до обсаживания, и при этом необходима остановка прибора на некоторое время на каждом месте, где должны быть осуществлены измерения. Поэтому прибор, который предложил Chandler, не может быть использован в качестве устройства для измерения в процессе бурения или каротажа в процессе бурения, неприменим в законченных скважинах для осуществления измерений в процессе добычи и даже не может быть использован на подвижной гирлянде каротажных устройств.
Сущность изобретения
Поэтому задача изобретения заключается в создании способов и устройств для измерений фильтрационного потенциала в подземном пласте.
Еще одна задача изобретения заключается в создании способов и устройств для измерения фильтрационных потенциалов в пласте в процессе бурения ствола скважины.
Дополнительная задача изобретения заключается в создании способов и устройств для измерения фильтрационных потенциалов в пласте около устройства, постоянно установленного в стволе скважины.
Задача изобретения также заключается в создании способов и устройств для измерения фильтрационных потенциалов в пласте с помощью перемещаемого скважинного прибора.
Дополнительная задача изобретения заключается в создании способов определения характеристик пласта путем использования результатов измерений фильтрационных потенциалов.
Еще одна задача изобретения заключается в создании способов определения характеристик трещин в пласте путем использования результатов измерений фильтрационных потенциалов.
Дополнительная задача изобретения заключается в создании способов определения одного или нескольких из проницаемости пласта, проницаемости приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью, эффективной проницаемости трещины и горизонтальной и вертикальной проницаемостей пласта путем использования результатов измерений фильтрационных потенциалов.
В соответствии с этими задачами, которые будут подробно обсуждены ниже, предложены различные способы и устройства для измерения фильтрационного потенциала в подземном пласте. Первый вариант осуществления изобретения относится к измерению фильтрационного потенциала в процессе бурения ствола скважины. В настоящей заявке измерение в процессе бурения и каротаж в процессе бурения будут считаться равнозначными. Второй вариант осуществления изобретения относится к измерению фильтрационного потенциала с помощью скважинного прибора, который выполнен с возможностью осуществления измерений при перемещении по стволу скважины. Третий вариант осуществления изобретения относится к измерению фильтрационного потенциала с помощью устройства, которое постоянно установлено (например, зацементировано) вокруг ствола скважины. Все варианты осуществления изобретения могут быть использованы для обнаружения характеристик пласта. В частности, поскольку измерение фильтрационного потенциала непосредственно связано с движением флюидов, то результаты измерений фильтрационных потенциалов могут быть использованы для отслеживания движения флюидов в пласте. В свою очередь, эта информация может быть использована для нахождения проницаемости пласта в различных слоях породы вокруг ствола скважины и/или для обнаружения трещин в пласте и определения их характеристик.
Дополнительные задачи и преимущества изобретения станут понятными специалистам в данной области техники при обращении к подробному описанию в сочетании с сопровождающими чертежами.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фиг.1 - схематический вид законченной горизонтальной скважины, имеющей электроды, размещенные около нее, для измерения фильтрационных потенциалов;
Фиг.2 - схематический вид электродов, установленных на изолированных соединительных секциях, при заканчивании скважины из Фиг.1 с использованием песочных фильтров;
Фиг.3 - график переходных процессов изменения давления, измеренных для двух зон из зон, показанных на Фиг.1;
Фиг.4 - график, иллюстрирующий в зависимости от времени переходные процессы изменения давления и фильтрационные потенциалы для скважины из Фиг.1;
Фиг.5 - график, иллюстрирующий фильтрационные потенциалы, измеренные с помощью электродов в зоне 2 из Фиг.1;
Фиг.6 - график, иллюстрирующий фильтрационные потенциалы, измеренные с помощью электродов в зоне 3 из Фиг.1;
Фиг.7 - график, иллюстрирующий дрейфы напряжений на электродах в зоне 1 из Фиг.1;
Фиг.8 - график, иллюстрирующий фильтрационные потенциалы, измеренные с помощью электродов в зоне 1 из Фиг.1;
Фиг.9 - схематический вид скважины из Фиг.1, иллюстрирующий качественные определения характеристик, осуществленные по информации, полученной с помощью электродов, расположенных около скважины;
Фиг.9а - схематическое представление прямой модели неоднородного пласта;
Фиг.9b - график фильтрационных потенциалов, полученных с помощью прямой модели из Фиг.9а;
Фиг.9с - схематическое представление прямой модели пласта с трещиной;
Фиг.9d - график фильтрационных потенциалов, полученных с помощью прямой модели из Фиг.9с;
Фиг.10 - схематический вид законченной вертикальной скважины, имеющей электроды, размещенные около нее, для измерения фильтрационных потенциалов;
Фиг.11 - схематическая иллюстрация способа, в соответствии с которым электроды были установлены в законченной скважине из Фиг.10;
Фиг.12 - график давления на устье скважины, приложенного к скважине из Фиг.10, в течение нескольких суток;
Фиг.13 - график, иллюстрирующий давление на устье скважины из Фиг.12 и фильтрационные потенциалы, измеренные группой электродов на месте расположения коллектора, показанного на Фиг.10;
Фиг.14 - увеличенный вариант участка из Фиг.13;
Фиг.15 - график, иллюстрирующий давление на устье скважины из Фиг.12 и фильтрационные потенциалы, измеренные группой электродов выше места расположения коллектора;
Фиг.16 - увеличенный вариант участка из Фиг.15;
Фиг.17 - график, иллюстрирующий давление на устье скважины из Фиг.12 и фильтрационные потенциалы, измеренные группой электродов ниже места расположения коллектора;
Фиг.18 - схематический вид скважины из Фиг.10, иллюстрирующий качественные определения характеристик, осуществленные по информации, полученной с помощью электродов, расположенных около скважины;
Фиг.18а - схематическое представление прямой модели трещины для вертикальной продуктивной скважины;
Фиг.18b - график фильтрационных потенциалов, полученных с помощью прямой модели из Фиг.18а;
Фиг.19 - увеличенный вариант участка из Фиг.17, который использован для показа стабильности электродов;
Фиг.20 - схематический вид законченной скважины с необсаженным стволом и с электродами, расположенными около изолирующей зоны, окружающей лифтовую колонну;
Фиг.21 - схематический вид законченной скважины с обсаженным стволом и с электродами, включенными в обсадную колонну;
Фиг.22 - схематический вид прибора для каротажа в процессе бурения с электродами для измерения фильтрационных потенциалов, расположенными на нем;
Фиг.23 - схематический вид спускаемого на кабеле прибора, имеющего электроды для измерения фильтрационных потенциалов, расположенные на нем;
Фиг.23а - схематическое представление прямой модели спускаемого на кабеле прибора, который выполнен с возможностью прорезания глинистой корки ствола скважины;
Фиг.23b - график фильтрационных потенциалов, полученных с помощью прямой модели из Фиг.23а, для не затронутой проникновением зоны;
Фиг.23с - график фильтрационных потенциалов, полученных с помощью прямой модели из Фиг.23а, для зоны проникновения фильтрата;
Фиг.23d - график, полученный с помощью прямой модели из Фиг.23а, чувствительности фильтрационного потенциала к глубине проникновения; и
Фиг.23е - график, иллюстрирующий инверсию синтетических данных для проницаемости и наилучшее соответствие для пяти параметров модели.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления.
e
До обращения к чертежам целесообразно рассмотреть некоторые теоретические соображения, относящиеся к физике изобретения. В коллекторных породах существует тонкий заряженный двойной слой на границе раздела между скелетом горной породы и водой в порах. Поверхность скелета заряжена отрицательно, а вода заряжена положительно. Когда вода перемещается под действием градиента ∇p давления, вместе с течением воды создается электрический ток i. Электрический ток пропорционален течению воды, которое пропорционально градиенту давления:
где L - постоянная связи, которая является свойством породы.
Переходные процессы изменения давления возникают в пласте при многих различных работах, которые производятся в период эксплуатации скважины, таких, как бурение, закачивание бурового раствора с проникновением его в пласт, цементирование, закачивание в пласт воды и кислоты, гидравлический разрыв пласта и добыча нефти и газа. Испытание при переходном процессе изменения давления представляет собой общепризнанный способ определения таких свойств коллектора, как проницаемость, размер коллектора и гидродинамическая связь между различными зонами и между различными скважинами. Кроме того, как изложено ниже, для определения этих свойств могут быть использованы переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, связанные с переходными процессами изменения давления.
Моделирование пластового давления р может быть осуществлено с помощью моделей многофазного потока. Моделирование фильтрационного потенциала целесообразно начать с уравнения диффузии однофазного потока:
где k - проницаемость, µ - вязкость, ϕ - пористость и с - сжимаемость флюида.
Фильтрационный потенциал V может быть вычислен на основании полученного моделированием поля давления р путем решения уравнения Пуассона:
где σ - удельная электропроводность.
Из уравнения (2) следует, что время Δt распространения на расстояние Δх в пласте переходного процесса изменения давления и связанного с ним переходного процесса изменения фильтрационного потенциала, возникающего на поверхности ствола скважины, имеет вид
В ранний момент времени переходные процессы изменения давления и фильтрационного потенциала являются чувствительными в основном к свойствам коллектора вблизи ствола скважины, а в поздний момент времени переходные процессы являются чувствительными к свойствам коллектора как вблизи ствола скважины, так и на расстоянии от ствола скважины. Свойства коллектора на различных расстояниях от ствола скважины могут быть определены путем упорядоченной во времени интерпретации измеренных переходных процессов. Интерпретация переходных процессов изменения давления таким упорядоченным во времени способом является общепринятой в данной области техники. Например, переходные процессы изменения давления в ранний момент времени используют для определения нарушения проницаемости или «скин-эффекта», а переходные процессы изменения давления в поздний момент времени используют для определения границ коллектора.
Эти применения очень сильно ограничиваются, если имеются результаты измерений только установившихся значений фильтрационных потенциалов. Для установившегося состояния уравнение (2) становится следующим
В таком случае перепад Δр давлений на глубинном интервале Δх пропорционален
Падение ΔV фильтрационного потенциала в зависимости от Δр имеет вид
при этом оно пропорционально
На основании установившегося фильтрационного потенциала можно получать информацию только о среднем значении свойства коллектора, и при этом он является значимым на интервалах с большими значениями (Lµ)/(σk). Считается, что при наличии глинистой корки установившийся фильтрационный потенциал находится под преобладающим влиянием глинистой корки и нечувствителен к свойствам коллектора. Проницаемость глинистой корки является очень низкой, и установившийся перепад давлений существует в основном на глинистой корке.
Хотя в принципе можно определять свойства коллектора на всех расстояниях от ствола скважины (т.е. по радиальным направлениям от ствола скважины) путем упорядоченной во времени интерпретации переходных процессов, на практике решающим вопросом является возможность осуществления измерений с достаточным качеством: точностью, пространственным разрешением и стабильностью в течение продолжительного периода времени. Трудно получать данные о переходном процессе изменения давления с высоким пространственным разрешением, поскольку ствол скважины является по существу изобарической областью. Если пласт является неоднородным, то с помощью датчика давления, помещенного внутрь ствола скважины, нельзя получать подробную информацию о переходных процессах изменения давления внутри пласта. Для осуществления этого необходимо сегментировать ствол скважины на гидравлически изолированные зоны, что является трудной задачей, требующей больших затрат при ее выполнении. С другой стороны, ствол скважины не является эквипотенциальной поверхностью для протекания электрического тока. Поэтому переходные процессы изменения фильтрационного потенциала могут быть измерены с помощью группы электродов, помещенных внутрь ствола скважины и электрически обособленных (то есть изолированных) друг от друга, и при этом может быть получена информация, эквивалентная информации во время испытания при переходном процессе изменения давления в гидравлически изолированной зоне, поскольку фильтрационный потенциал определяется градиентом давления. На самом деле, путем использования группы изолированных электродов для измерения фильтрационного потенциала можно измерять фильтрационный потенциал с более высоким пространственным разрешением, чем в случае испытания при переходном процессе изменения давления в гидравлически изолированной зоне.
С учетом теоретического толкования, приведенного выше, согласно одному аспекту изобретения для измерения переходных процессов изменения фильтрационного потенциала изолированные электроды размещают в стволе скважины или в скважине, или около них. Как будет рассмотрено более подробно ниже, согласно различным вариантам осуществления изобретения электроды могут быть размещены на изолированных секциях бурильной трубы при осуществлении измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения или на корпусе прибора, который перемещают по стволу скважины при кабельном каротаже. В случаях применений после заканчивания скважины электроды могут быть размещены на изолированном зонде, помещенном в необсаженный ствол при заканчивании скважины с необсаженным стволом, или на центраторах (или в качестве частей их) при заканчивании скважины с использованием песочных фильтров, или в изолированном окружении обсадной трубы при заканчивании скважины цементированием. При заканчивании скважины с необсаженным стволом и с электрически изолированными секциями обсадной трубы металлические обсадные трубы могут использоваться как электроды. Независимо от того, каким образом размещают электроды, разности напряжений постоянного тока, указывающие на фильтрационные потенциалы, измеряют между опорным электродом и другими электродами группы. Начальные значения разностей напряжений между опорным электродом и другими электродами, которые обычно обусловлены различиями в химии поверхности электродов, вычитают из всех последующих данных, чтобы получать переходные процессы изменения давления.
Согласно еще одному аспекту изобретения переходные процессы изменения фильтрационного потенциала создают любым из многих способов. Согласно одному варианту осуществления изобретения, связанному с бурением ствола скважины, перепад давлений между пластом и стволом скважины приводит к проникновению бурового раствора в пласт, к переходным процессам изменения давления и переходным процессам изменения фильтрационного потенциала. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, связанному с кабельным каротажем ствола скважины, переходные процессы изменения фильтрационного потенциала создают путем снабжения каротажного прибора одним или несколькими лезвиями, закрепляемыми на одном или нескольких отводных рычагах, которыми во время каротажа прорезают щели в глинистой корке. Вследствие большого репрессионного перепада давлений между пластом и стволом скважины при прорезании глинистой корки флюид будет протекать через щель, и возникающий переходный процесс изменения давления может быть измерен. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, применяемому при заканчивании и после заканчивания скважины, переходные процессы изменения фильтрационного потенциала создают путем закачивания раствора для заканчивания скважины, цемента, гравия, кислот, расклинивающего пропелланта, путем проведения испытания с нагнетанием воды, испытания на приток и т.д. В действительности, любое изменение дебита добычи также будет создавать переходные процессы изменения фильтрационного потенциала. При условии, что существует поток электропроводных флюидов, связанных с переходными процессами изменения давления, будет возникать переходный процесс изменения фильтрационного потенциала, и он может быть измерен путем использования размещенных электродов.
Согласно еще одному аспекту изобретения данные, относящиеся к переходным процессам изменения фильтрационного потенциала, полученные с помощью электродов, интерпретируют для извлечения полезной информации. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что интерпретация данных о переходных процессах изменения давления (в противоположность данным о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала) с целью получения свойств коллектора, таких, как проницаемость, является общепринятым способом. В пластах с высокой проницаемостью переходные процессы изменения давления протекают быстро во времени, тогда как в пластах с низкой проницаемостью переходные процессы изменения давления протекают медленно. Переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, создаваемые переходными процессами изменения давления, зависят от проницаемости пласта точно так же, как и переходные процессы изменения давления.
p
Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, имеются средства для аналитического и численного моделирования переходных процессов изменения давления. Параметры коллектора, представляющие интерес, могут быть определены путем варьирования параметров в модели до тех пор, пока вычисленное давление не будет согласовано с измеренными данными. Формально, пусть R будет обозначать набор параметров коллектора, подлежащих определению, a f(R) пусть будет обозначать переходный процесс изменения давления, полученный моделированием. Расхождение между переходными процессами изменения давления, полученными моделированием и путем измерения, имеет вид:
0
Расхождение минимизируют при R=R, чтобы получить обращенные значения параметров коллектора.
s
Количественная интерпретация данных о фильтрационном потенциале с целью определения параметров коллектора, таких, как проницаемость пласта, может быть осуществлена тем же самым способом, что и интерпретация данных о переходном процессе изменения давления. Пусть s обозначает набор измеренных переходных процессов. Набор может состоять только из переходных процессов изменения фильтрационного потенциала V или он может состоять как из переходных процессов изменения фильтрационного потенциала, так и из переходных процессов изменения давления. Пусть f(R,L) обозначает полученные моделированием переходные процессы, которые зависят от дополнительного набора параметров: от постоянных L связи в уравнении (3). (Удельная электропроводность σ в уравнении (3) обычно известна из данных каротажа удельного электрического сопротивления.) Расхождение между полученными моделированием и измеренными переходными процессами изменения давления находят в соответствии с:
0
0
Расхождение минимизируют при R=R и L=L, чтобы получить обращенные значения параметров коллектора.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что уравнение (3) Пуассона является линейным относительно постоянных L связи, поскольку обратная связь фильтрационного потенциала с основными уравнениями для давления при электроосмосе является пренебрежимо малой. Поэтому инверсия постоянных связи представляет собой непосредственную линейную инверсию. На самом деле, минимизацию уравнения (10) осуществляют в два этапа. Первый этап заключается в фиксации R и изменении L и нахождении субоптимального минимума расхождения путем решения линейной задачи для R. Решение дает L как функцию R. В таком случае субоптимальный минимум является функцией только R:
Второй этап заключается в нелинейном поиске минимума уравнения (11), содержащего такое же число неизвестных, что и уравнение (9). Поэтому дополнительной задачей оценивания постоянных связи не вносится дополнительная вычислительная сложность или математическая неопределенность в задачу инверсии.
Согласно еще одному аспекту изобретения измеренные переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, связанные с движением флюида в пласте, могут быть использованы в числе прочего для: отслеживания перемещения следа цементного раствора во время цементирования и тем самым обнаружения возможных проблем, связанных с цементированием; отслеживания суспензий, переносящих гравий, и тем самым контроля гравийной набивки; отслеживания перемещения кислоты во время закачивания кислоты в пласт, поскольку при закачивании кислоты создаются переходные процессы изменения фильтрационного потенциала; контроля гидравлического разрыва пластов в реальном времени; количественного оценивания работ по гидравлическому разрыву; отслеживания перемещения воды, происходящего вследствие закачивания воды; повышения эффективности испытания при переходном процессе изменения давления; и контроля изменений параметров коллектора на протяжении больших периодов времени, в том числе водонасыщенности, относительной проницаемости и обводненности.
При использовании различных аспектов изобретения, описанных ранее, были проведены промысловые испытания на горизонтальной эксплуатационной скважине, часть которой схематически показана на Фиг.1. Горизонтальная эксплуатационная скважина 100 из Фиг.1 была закончена в пласте 105 с использованием песочных фильтров 114 (см. Фиг.2) и сегментирована на три зоны затрубными пакерами 111a, 111b, 111c. Зона, ближайшая к устью горизонтальной скважины, обозначена как зона 1, средняя зона как зона 2 и зона, ближайшая к забою, как зона 3. Каждая зона снабжена клапанным узлом 113а, 113b, 113с, соответственно, встроенным на протяжении фильтра 114, с двумя датчиками давления 115-1 и 115-2, связанными с каждым клапанным устройством 113 (см. Фиг.2). Электроды 118 были размещены так, как рассмотрено ниже.
Теперь обратимся к Фиг.2, где показано размещение электродов 118 согласно изобретению. Как видно из Фиг.2, скважина 100 закончена с использованием секций 114 песочных фильтров, которые с целью образования колонны для заканчивания соединены друг с другом посредством изолированных соединительных секций 116. Должно быть понятно, что секции экранов не могут быть электрически изолированы от пласта 105 или от флюида в затрубном пространстве (не показанного). Соединительные секции 116 являются электрически изолированными. В середине каждой соединительной секции установлен центратор 118. Из-за массы колонны 114, 116 для заканчивания центраторы 118 всегда находятся в хорошем контакте с пластом 105. Поэтому в соответствии с изобретением предпочтительно, чтобы центраторы 118, используемые как электроды, были снабжены высокоимпедансными цепями измерения напряжения и соединены с наземной электроникой кабелем (не показанным). Соответствующая конструкция центраторов описана в Международной заявке WO 02/053871.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что колонна для заканчивания, изготовленная из металла, создает цепь короткого замыкания для электрических токов. Секции 114 экранов, использованные для заканчивания скважины 100, были длиной пятнадцать футов, а соединительные секции 116 были длиной пять футов. Поскольку изолированные соединительные секции 116 колонны для заканчивания имеют защитное покрытие только на небольшом участке вблизи электродов 118, большая часть электрических токов может протекать через незащищенные секции 114 фильтров, приводя к снижению уровня сигнала. Однако, как показано ниже, все же существуют сигналы значительных уровней, которые могут быть измерены. Следует отметить, что для количественной интерпретации достаточно учесть ток утечки при прямом моделировании.
Как показано на Фиг.1, на каждую зону было предусмотрено семь электродов при общем количестве электродов, составляющем двадцать один (обозначенных 118-1, 118-2, …, 118-21). При секции фильтра длиной пятнадцать футов и соединительной секции длиной пять футов расстояние между соседними электродами в каждой зоне составляло приблизительно двадцать футов. Расстояние между ближайшими двумя электродами в разных зонах было немного больше одной сотни футов.
Из данных испытания на герметичность, собранных посредством манометров на обеих сторонах колонны для заканчивания, следует, что зона 1 гидравлически изолирована от зоны 2 и зоны 3. Это видно из Фиг.3, поскольку давление 125а в зоне 1 значительно выше давлений 125b, 125с в зоне 2 и зоне 3, что свидетельствует об изоляции. Поэтому для напряжений электродов в зоне 1 (от 118-1 до 118-7) опорный электрод выбирался в зоне 2 или зоне 3, а для напряжений электродов в зоне 2 и зоне 3 опорный электрод выбирался в зоне 1.
Чтобы создать переходный процесс изменения фильтрационного потенциала, три электрических клапана 113а, 113b, 113с и штанговый насос (не показанный) на поверхности пласта использовались для регулирования потока флюида. Флюид из затрубного пространства каждой зоны втекал в трубу через отверстие клапана. Манометром 115-1 на трубной стороне отверстия измерялось трубное давление, а манометром 115-2 на стороне затрубного пространства измерялось давление в кольцевой области между пластом и фильтром. Переходные процессы изменения давления создавались в пласте 105 путем включения и отключения насоса и открывания и закрывания клапанов 113, и они измерялись манометрами 115-2 на стороне затрубного пространства.
2
2
2
2
Для каждой из трех зон давление в затрубном пространстве было равно пластовому давлению. Как видно из Фиг.3, давления 125b, 125с в затрубном пространстве в зоне 2 и зоне 3 приблизительно равны, что указывает на то, что эти две зоны находятся в гидравлической связи. Давление 125а в затрубном пространстве в зоне 1 выше, что указывает на гидравлическую изоляцию зоны 1. Путем выкачивания флюида из ствола скважины трубное давление поддерживали примерно на 150 фунтов/дюйм выше давлений в затрубном пространстве в зоне 2 и зоне 3. Клапан зоны 2 и клапан зоны 3 открывали на три часа, а затем закрывали. Давление в затрубном пространстве в зоне 2, показанное кривой 125а на Фиг.3, падало на 150 фунтов/дюйм (от приблизительно 840 фунтов/дюйм до приблизительно 690 фунтов/дюйм) до уровня трубного давления сразу же после открывания клапана, а затем начинало возрастать обратно до пластового давления. На Фиг.3 давление в затрубном пространстве в зоне 3 показано кривой 125b. Кривая роста давления в зоне 3 поднимается быстрее, чем кривая роста давления в зоне 2, что указывает на большую проницаемость зоны 3 по сравнению с проницаемостью зоны 2.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что сразу после открывания клапанов градиент давления существует в основном в поврежденной зоне вблизи скважины. Известно, что проницаемость в поврежденной зоне или в приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью ниже, чем проницаемость неповрежденного пласта. Если постоянная связи между градиентом давления и электрическим током также меньше в приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью, чем в пласте, то фильтрационный потенциал должен повышаться со временем на начальной стадии, когда градиент давления распространяется от приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью до неповрежденного пласта. В более поздние моменты времени давление возрастает обратно до пластового давления, при этом градиент давления снижается и распространяется глубоко в пласт, дальше от электродов, а фильтрационный потенциал падает. Скорости первоначального повышения и последующего падения фильтрационного потенциала определяются проницаемостью приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью, толщиной приствольной части пласта с нарушенной проницаемостью и проницаемостью неповрежденного пласта. На Фиг.4 показаны переходный процесс изменения фильтрационного потенциала, зарегистрированный с помощью электрода 118-8 в зоне 2, который сначала возрастает, а затем падает, и переходный процесс изменения давления. Как и ожидалось, временная шкала падения фильтрационного потенциала является сравнимой с временной шкалой возрастания давления.
Данные о фильтрационном потенциале в зоне 2, зарегистрированные с помощью всех семи электродов с 118-8 по 118-14 в зоне 2, показаны вместе с данными давления на Фиг.5. Данные о фильтрационном потенциале в зоне 3 показаны на Фиг.6. Совершенно ясно, что в пределах каждой зоны коллектор является неоднородным; все отдельные кривые фильтрационного потенциала на Фиг.5 и Фиг.6 имеют очень различающиеся скорости подъема и спада, что указывает на большие вариации проницаемости. Таким образом, видно, что измерение фильтрационного потенциала с помощью группы электродов дает существенно улучшенную информацию по сравнению с информацией, которая может быть получена на основании одной кривой нарастания давления для каждой зоны, которая будет давать только среднюю проницаемость для этой зоны.
При внимательном рассмотрении кривой от электрода 118-12 на Фиг.5 обнаруживается двойной пик. Двойной пик находится в соответствии с наложением быстро возрастающей и быстро спадающей составляющей и медленно возрастающей и медленно спадающей составляющей. Быстрая составляющая возникает вследствие течения в трещине, имеющей высокую проницаемость, а медленная составляющая возникает вследствие течения в скелете породы пласта с низкой проницаемостью. Эта интерпретация согласуется с изображениями ствола скважины, которые были получены от скважинного прибора формирования изображения, и с результатами моделирования, рассмотренными ниже.
Согласно изобретению величина фильтрационного потенциала является показателем водяной фракции потока, и он изменяется от электрода к электроду. Как видно из Фиг.5, имеется небольшое поступление воды вблизи электрода 118-13 (то есть фильтрационный потенциал сохраняется около 0 мВ), а на Фиг.6 отсутствует или имеется небольшое поступление воды вблизи электродов 118-16 и 118-17.
Напряжения на электродах в зоне 1 показаны на Фиг.7. Поскольку зона 1 гидравлически изолирована от зоны 2 и зоны 3, а клапан в зоне 3 сохраняется закрытым, напряжения, регистрируемые на электродах, дрейфуют. Порядок дрейфов составляет меньше одного милливольта в сутки. Поскольку электроды представляют собой стальные центраторы, не защищенные от флюида затрубного пространства, такая величина дрейфов является ожидаемой.
При последующем испытании на приток клапаны в зоне 2 и зоне 3 были закрыты, а клапан в зоне 1 был открыт и оставался открытым. Переходной процесс изменения давления и фильтрационные потенциалы, полученные при этом испытании, показаны на Фиг.8. Высокие значения измеренного фильтрационного потенциала и двойной пик, связанный с электродом 118-1, свидетельствуют о трещине. В дополнение к трещине значительные вариации времен нарастания фильтрационного потенциала (например, при сравнении электрода 118-6 с электродом 118-5) указывают на большие вариации проницаемости пласта на протяжении зоны 1.
Теперь обратимся к Фиг.9, на которой сведены результаты качественной интерпретации данных о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала из фиг.5, 6 и 8. Как видно из Фиг.9, с помощью электрода 118-1 выявляется трещина в пласте с высокой проницаемостью, тогда как данные с электродов с 118-2 по 118-5 и с электрода 118-7 указывают на местоположения пластов, имеющих среднюю проницаемость, а данные с электрода 118-6 указывают на местоположение пласта с высокой проницаемостью. В зоне 2 данные с электродов с 118-8 по 118-10 и 118-14 указывают на местоположения пластов со средней проницаемостью, тогда как данные с электродов 118-11 и 118-12 указывают на местоположение пласта или минизоны с низкой проницаемостью. Кроме того, с помощью электрода 118-12 выявляется трещина в пласте. Данные с электрода 118-13 указывают на местоположение пласта без притока воды, В зоне 3 данные с электродов 118-15 и с 118-18 по 118-20 указывают на местоположения пластов с высокой проницаемостью, тогда как данные с электрода 118-21 указывают на местоположение пласта со средней проницаемостью, а данные с электродов 118-16 и 118-17 указывают на местоположения пластов или минизон без притока воды. Специалистам, в данной области техники должно быть понятно, что данные о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала из фиг.5, 6 и 8, сведенные на Фиг.9, предоставляют значительно более подробную информацию по сравнению с той информацией, которая была доступна ранее на основе переходных процессов изменения давления.
Результаты качественной интерпретации, сведенные на Фиг.9, подкреплены прямым моделированием. В частности, путем использования уравнения (2) для однофазного потока на основании прямой модели неоднородного пласта, графически показанной на Фиг.9а, были вычислены переходные процессы изменения фильтрационного потенциала. Полученные моделированием характеристики показаны на Фиг.3b. Как видно из Фиг.9b, фильтрационный потенциал, зарегистрированный с помощью электрода, помещенного в область высокой проницаемости, возрастает быстрее и спадает быстрее, чем фильтрационный потенциал, зарегистрированный с помощью электрода, помещенного в область низкой проницаемости. Качественно эта полученная моделированием характеристика находится в соответствии с данными, представленными на фиг.5 и 6. Аналогично этому, переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, вычисленные для подкрепления анализа, относящегося к трещинам, на основании прямой модели еще одного неоднородного пласта, показаны на Фиг.9с. Как видно из Фиг.9d, переходным процессом изменения фильтрационного потенциала, вычисленным на основании прямой модели, показанной графически на Фиг.9с, подтверждается интерпретация фильтрационного потенциала, зарегистрированного с помощью электрода 118-12 (фиг.5); то есть трещина является причиной двойного пика на переходной характеристике фильтрационного потенциала.
В свете изложенного выше понятно, что при наличии информации о фильтрационном потенциале соответствующее прямое моделирование и инверсия могут быть осуществлены с помощью программы решения уравнения Лапласа и модели двухфазного потока (то есть нефти и воды), рассмотренной выше со ссылкой на уравнения (9)-(11), или с помощью модели многофазного потока. В результате, полученные данные о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала могут быть использованы для представления в количественной форме проницаемости пласта, проницаемости приствольной части пласта, эффективной проницаемости пласта, горизонтальной и вертикальной проницаемостей, гидродинамической связи между зонами и скважинами и границ коллектора, при этом намного более подробнее, чем это возможно только в результате испытания при переходном процессе изменения давления. В результате этого может быть достигнуто лучшее понимание характеристик скважины и коллектора, способствующее лучшему контролю скважины и коллектора.
Теперь обратимся к фиг.10-19, на которых отражена возможность использования информации о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала, относящейся к вертикальной нагнетательной скважине 200, расположенной в пласте 205. Как видно из Фиг.10, пласт 205 включает в себя углеводородный коллектор, местоположение которого обозначено между 1026 футами и 1047 футами. Кроме того, имеется тонкий слой песка на глубине 1020,55 футов, который гидравлически изолирован от углеводородного коллектора.
Как видно из фиг.10 и 11, скважина 200 включает в себя обсадную колонну 209, вокруг которой предусмотрен электроизоляционный материал 211. Группа 218 электродов, включающая в себя электроды с 218-1 по 218-16 вместе со связанными с ними схемами измерения напряжения, которые предпочтительно являются высокоимпедансными, расположена в изоляционном материале или с наружной его стороны. Обсадная колонна, изоляционный материал и группа зацементированы на месте цементным слоем 217. Поэтому электроды с 218-1 по 218-16 находятся в контакте с цементом 217, но не с металлической обсадной колонной 209. Для добычи углеводородов обсадная колонна должна быть перфорирована с образованием ориентированных отверстий 219, схематически показанных на Фиг.11, но без повреждения электродов и соединительных кабелей (не показанных). В этом случае отверстия над верхней частью коллектора (то есть выше 1026 футов) не делались. После перфорации электрический ток может протекать через перфорационные отверстия 219 к металлической обсадной колонне 209. Как показали результаты полевых испытаний, электрическая изоляция обсадной колонны является несовершенной, но функциональной. Нижний электрод 218-16 на Фиг.10 использовался как опорный электрод.
В случае скважины 200 переходные процессы изменения фильтрационного потенциала создавались закачиванием воды в скважину. Закачивание воды регулировалось наземным насосом 221 и наземным клапаном 223 (оба схематически показаны на Фиг.10) и контролировалось датчиком 225 давления, помещенным между клапаном 223 и устьем скважины. С самого начала приемистость скважины была очень низкой, поэтому были проведены кислотная обработка скважины и гидравлический разрыв пласта. При определении качества работ по цементированию скважины выявлена вероятность плохого сцепления цемента с обсадной колонной. Поэтому пласт за пределами интервала коллектора, представляющего интерес, мог подвергаться гидравлическому разрыву, а закачанная вода могла втекать в такие трещины.
Давление нагнетания на устье скважины показано на Фиг.12. До начала получения данных, показанных на Фиг.12, клапан был закрыт в течение длительного времени. При открывании клапана давление нагнетания резко повышалось, а затем периодически падало и восстанавливалось, поскольку насос выключался на короткие промежутки времени.
Переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, обнаруженные с помощью основных электродов на интервале коллектора, представляющего интерес, показаны на Фиг.13, а в растянутом масштабе времени на Фиг.14 (следует отметить, что электрод 218-12 вышел из строя и поэтому для него данные не показаны). Видно, что переходные процессы изменения фильтрационного потенциала имеют две компоненты: одна компонента изменяется очень быстро в ответ на изменения давления, а другая компонента изменяется медленно на протяжении нескольких суток. Быстрая компонента связана с водой, втекающей в трещины с высокой проницаемостью. Изменения быстрой компоненты на фиг.13 и 14 такие, что фильтрационные потенциалы понижаются с возрастанием давления нагнетания и повышаются с падением давления нагнетания. Это ожидалось, поскольку закачиваемая вода, несущая положительные заряды, перемещается на расстояние от ствола скважины и от электродов. Знаки фильтрационного потенциала скважины 200 противоположны знакам переходных процессов изменения фильтрационного потенциала, показанным для скважины 100, поскольку данные для скважины 100 собирались во время добычи при перемещении воды, переносящей положительные заряды, в ствол скважины к электродам. Медленная компонента характеристики переходного процесса обусловлена нагнетанием воды из ствола скважины непосредственно в скелет горной породы с низкой проницаемостью или межпластовым перетоком из трещин в скелет горной породы. Прямой поток закачиваемой воды в скелет горной породы всегда направлен от электродов. Межпластовый переток из трещин в скелет породы также происходит от электродов, если электроды находятся непосредственно в трещине. Фильтрационный потенциал, регистрируемый с помощью таких электродов, медленно понижается по мере перемещения воды в скелет породы. Если электрод находится на некотором расстоянии от трещины, межпластовый поток проходит мимо электрода. В результате, в зависимости от точного местоположения электрода относительно трещины фильтрационный потенциал будет либо медленно понижаться, либо медленно повышаться по мере перемещения воды в скелет породы. Данные на фиг.13 и 14 могут быть интерпретированы как иллюстрирующие, что электрод 218-5 находится непосредственно в мощной трещине, тогда как электрод 218-9 находится на небольшом расстоянии от трещины.
Переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, обнаруженные с помощью электродов выше интервала коллектора, представляющего интерес, показаны на Фиг.15, а в растянутом масштабе времени на Фиг.16. Электрод 218-2 расположен очень близко к тонкому слою проницаемого песка вблизи неперфорированного участка обсадной колонны. Но все же фильтрационный потенциал на электроде 218-2 достигает значения 150 мВ, которое в пять раз выше, чем значение фильтрационного потенциала, регистрируемое с помощью любого электрода на интервале коллектора. Это можно объяснить, понимая, что интервал выше перфорированного интервала имеет трещины, предположительно, исходящие из зацементированного затрубного пространства (что было подтверждено при определении качества работ по цементированию). Поэтому формы переходных процессов изменения фильтрационных потенциалов на этом интервале отличаются от форм на интервале коллектора. Обнаружено, что на этом интервале фильтрационный потенциал содержит три компоненты: быструю, среднюю и медленную. Это видно более ясно относительно электрода 218-2 на Фиг.16. Вероятно образование трещин в слое глины, расположенном между коллектором и тонким слоем песка. Течение через трещины в слое глины происходит в промежуточном масштабе времени относительно масштабов времени течений через песок и скелет породы.
Теперь обратимся к Фиг.11, на которой показаны фильтрационные потенциалы, обнаруженные с помощью электродов с 218-13 по 218-15 ниже коллектора. Напряжения, обнаруженные с помощью этих электродов, меньше 1 мВ. Поэтому можно заключить, что очень немного нагнетаемой воды протекает ниже интервала коллектора.
С учетом измерений, выполненных с помощью электродов, результаты которых показаны на фиг.13-17, может быть сделана качественная интерпретация данных о переходных процессах изменения фильтрационного потенциала и в подытоженном виде показана на Фиг.18. В частности, как видно на Фиг.18, трещина с межпластовым перетоком имеется в слое глины выше коллектора; трещина с межпластовым перетоком имеется на отметке 1028,55 фута (электрод №4); трещина с межпластовым перетоком имеется вблизи отметки 1037,55 фута (электрод №9); и трещина с межпластовым перетоком имеется на отметке 1042,05 фута (электрод №11) (см. Фиг.13).
Качественная интерпретация из Фиг.18 подкрепляется прямой моделью, графически показанной на Фиг.18а, и полученной моделированием характеристикой, показанной на Фиг.18b, из которой видно, что фильтрационный потенциал, обусловленный межпластовыми перетоками, может иметь такой же знак, что и фильтрационный потенциал, обусловленный потоком в трещине, или может иметь противоположный знак. Поэтому полученной моделированием характеристикой качественно воспроизводятся экспериментальные данные с электрода 218-9 из Фиг.13 и электрода 218-2 из Фиг.15,
Данные о фильтрационных потенциалах с электродов с 218-13 по 218-15, показанные на Фиг.17, представлены на Фиг.19 на растянутых шкалах времени и напряжения. До того как наземный клапан 223 был открыт в момент времени 116,43, напряжения на электродах 218-14 и 218-15 были стабильными с точностью до одного уровня дискретизации (то есть до 10 мкВ). Напряжение на электроде 218-13 было с несколькими шумовыми выбросами до 100 мкВ. Шумовые выбросы, возникающие в течение очень короткого промежутка времени, не связаны со стабильностью поверхности электродов, а, вероятно, обусловлены помехой, наводимой на провод 235, соединяющий электрод и наземную электронику 233 (Фиг.10). Эти шумовые выбросы могут быть уменьшены или исключены путем улучшения прокладки электрических проводов и электроники или скважинной электроники.
Как видно из Фиг.19, напряжения на электродах с 218-13 по 218-15 очень хорошо согласуются с данными о давлении на устье скважины. При открывании клапана 223 в момент времени 116,43 все три напряжения снижаются, а когда в момент времени около 116,8 насос 221 останавливают, для всех трех напряжений характерен небольшой, но заметный пик. Согласование очень похоже на то, которое наблюдалось в случае намного больших напряжений, измеряемых с помощью электродов, расположенных в коллекторе и на интервале выше коллектора. Основываясь на этой информации, можно сделать вывод, что стабильность электродов в случае, когда они являются зацементированными электродами, составляет порядка 10 мкВ, а сигналы с уровнями 100 мкВ являются подходящими для определения свойств коллектора, представляющих интерес. Стабильность зацементированной группы 218 электродов по меньшей мере в сто раз лучше стабильности открытых электродов 118 в виде центраторов, показанных в отношении скважины 100.
Согласно еще одному аспекту изобретения предпочтительно, чтобы электроды из группы электродов, используемой для обнаружения и измерения переходных процессов изменения фильтрационных потенциалов, были накрыты или покрыты полупористым покровным материалом (таким, как цемент), независимо от использования их в качестве центраторов, показанных в скважине, законченной с использованием песочных фильтров, или в других стационарных установках, или использования в приборах для измерения в процессе бурения или в спускаемых на кабеле каротажных приборах, рассматриваемых ниже. Полупористый покровный материал должен иметь значительную удельную электропроводность, но очень низкую проницаемость, чтобы ионы могли доходить до электрода для обеспечения возможности измерений напряжений, а новый флюид не мог доходить до поверхности электрода в течение периода измерений. Поверхности электродов находятся в стабильной химической среде, что обеспечивает повышение стабильности измерений. Предпочтительным в настоящее время полупористым материалом является цемент, хотя могут быть использованы полупористая керамика, глина или другой материал. В качестве альтернативы могут быть использованы электроды с жидкостной границей, поскольку полупористый штырек электрода с жидкостной границей приостанавливает перемещение флюида, но обеспечивает возможность диффузии ионов. Стабильный электрод обеспечивает возможность измерения переходного процесса в течение более длительного периода времени, тем самым позволяя осуществлять анализ пласта большей протяженности и также позволяя осуществлять измерения сигналов с более низкими уровнями.
Применительно к измерениям фильтрационных потенциалов, описанным со ссылками на Фиг.10-19, должно быть понятно, что, используя уравнения с (9) по (11), рассмотренные выше, и полагая трещины тонкой средой с заданной проницаемостью, можно определять проницаемость пласта (скелета породы) и эффективные проницаемости трещин по длине скважины. Кроме того, результаты измерений фильтрационных потенциалов могут быть использованы для контроля в реальном времени работ по гидравлическому разрыву пласта. Например, при осуществлении гидравлического разрыва в скважине 200 целевым был представляющий интерес средний интервал коллектора, а гидравлический разрыв верхнего интервала был нежелательным. Однако нагнетаемая вода не направилась туда, куда хотелось. При наличии данных о фильтрационном потенциале, зарегистрированных во время процедуры гидравлического разрыва, в очень ранний момент времени стало видно, что жидкость для гидравлического разрыва пласта перемещается в основном к верхнему интервалу (выше коллектора). После этого работу по гидравлическому разрыву пласта смогли приостановить, провести ремонтно-изоляционные работы, а план работ по гидравлическому разрыву довести до конца надлежащим образом.
Теперь обратимся к Фиг.20, где показан пласт 305, пересекаемый законченной скважиной 300 с необсаженным стволом, имеющей лифтовую колонну 306, проходящую в ней. Вокруг лифтовой колонны показан изолированный зонд 311 с электродами 318-1, 318-2, …, расположенными на изолированном зонде 311. Поэтому лифтовая колонна 306 является по существу лишь транспортировочным средством для перемещения зонда 311 до желаемых мест. Могут быть использованы другие транспортировочные средства, предпочтительно относительно прочные, но до некоторой степени гибкие. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в, на или в составе зонда 311 и электродов 318 предусмотрены провода, соединяющие электроды, измерительную электронику и телеметрическую аппаратуру или запоминающее устройство для хранения данных, но они не показаны на Фиг.20.
Законченная скважина с обсаженным стволом показана на Фиг.21, при этом пласт 405 пересекается скважиной 400. Скважина включает в себя изолированную лифтовую колонну 406, обсадную колонну, имеющую электропроводные электродные участки 418-1, 418-2, 418-3, …, разделенную электроизоляционными участками 416, которые зацементированы в скважине с помощью цемента 417. Поэтому металлическая обсадная колонна используется в качестве группы электродов, при этом отдельные секции обсадной колонны электрически изолированы друг от друга. Секции обсадной колонны могут быть регулярными секциями обсадной колонны, соединенными посредством изолирующих фланцев, или специально спроектированными секциями обсадной колонны, изготовленными из двух или более электрически изолированных подсекций. Как видно на Фиг.21, электроды 418 находятся в контакте с цементом 417 и с флюидом внутри обсадной колонны. Если лифтовая колонна 406 внутри скважины является металлической, то предпочтительно, чтобы лифтовая колонна была электрически изолированной или частично изолированной.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложены прибор и способ для измерения фильтрационных потенциалов в процессе бурения ствола скважины. В частности, в процессе бурения перепад давлений между пластом и стволом скважины вызывает проникновение бурового раствора в пласт и переходные процессы изменения давления и, следовательно, переходные процессы изменения фильтрационного потенциала. В скважинах, пробуренных с использованием бурового раствора на нефтяной основе, фильтрационный потенциал будет существовать, если буровой раствор содержит водяную фракцию.
Теперь обратимся к Фиг.22, на которой схематически показана конструкция инструмента 510, пригодного для измерения в процессе бурения фильтрационного потенциала в стволе 500 скважины, окруженном пластом 505. Бурильный инструмент 510 включает в себя буровое долото 507 и электроды 518-1, 518-2, 518-3, …, 518-R (предпочтительно, чтобы на все было нанесено полупористое покрытие, такое, как цемент), установленные на электрически изолированных секциях 511-1, 511-2, 511-3 бурильной трубы 515. Электроды 518 перемещаются вместе с инструментом 510. Поэтому различными электродами в группе в различные моменты времени будет восприниматься переходный процесс изменения фильтрационного потенциала в фиксированных пространственных точках. Расстоянием между электродами 518 в группе и скоростью бурения определяется частота квантования по времени переходного процесса изменения фильтрационного потенциала. Другими словами, момент времени, в который электрод 518-2 располагается в конкретном месте, где ранее осуществлялись измерения с помощью электрода 518-1, зависит от скорости бурения и расстояния между электродами. В варианте осуществления из Фиг.22 верхний электрод 518-R используется в качестве электрода опорного напряжения, поскольку он находится дальше всего от бурового долота и будет часто достигать мест в пласте, где переходный процесс изменения фильтрационного потенциала уже пришел к установившимся значениям. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в, на или в составе инструмента 510 для измерения в процессе бурения предусмотрены провода, соединяющие электроды, измерительную электронику и телеметрическую аппаратуру, которые являются стандартными в данной области техники, но они не показаны на Фиг.22. На Фиг.22 показаны процессор 550 и связанное с ним запоминающее устройство 560 для хранения данных, которые используются для получения контрольных данных. Должно быть понятно, что процессор 550 и запоминающее устройство 560 для хранения данных также можно применять в других вариантах осуществления, хотя при обработке в процессоре могут использоваться различные прямые и обратные модели.
В случае инструмента 510 для измерения в процессе бурения выполняемые измерения фильтрационного потенциала являются пассивными измерениями напряжения, которые могут быть осуществлены в высокоомном стволе скважины путем использования высокоимпедансной электроники. В скважинах, пробуренных с использованием бурового раствора на нефтяной основе, необходимо, чтобы электроды были большими, насколько это возможно, и для снижения электродного импеданса помещались, по возможности, близко к пласту.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что для надлежащего анализа данных, получаемых посредством инструмента 510 для каротажа в процессе бурения, в прямую модель должна быть включена модель глинистой корки, наращиваемой в процессе бурения. Могут быть использованы точные модели, например, раскрытые в статье: Fordham E.J. and Ladva H.K.J., "Crossflow filtration of bentonite suspensions", Physico-Chemical Hydrodynamics", 11 (4), 411-439 (1989).
При наличии инструмента 510 для измерения в процессе бурения и соответствующей модели информация о фильтрационном потенциале, получаемая и обрабатываемая с помощью инструмента, может обеспечивать различные контрольные данные. Поскольку переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, создаваемые при бурении, протекают быстро с течением времени в случае пласта с высокой проницаемостью и медленно в случае пласта с низкой проницаемостью, то с помощью обратной модели, которая содержит модель наращивания глинистой корки, может быть получена проницаемость пласта в зоне проникновения фильтрата и в не затронутой проникновением зоне.
На основе инструмента 510 для каротажа в процессе бурения и соответствующей модели может быть осуществлена система для раннего обнаружения потерь промывочной жидкости. В частности, могут быть неожиданные потери жидкости из-за естественных и наведенных в процессе бурения трещин. В этом случае фильтрационный потенциал будет возрастать мгновенно при продвижении жидкостей в пласт. Изменения давления в стволе скважины будут немного более медленными, поскольку ствол скважины обладает аккумулирующей способностью. Потери жидкости, заметные на поверхности, будут происходить намного позднее. Для наведенных бурением трещин большие изменения фильтрационного потенциала будут обнаруживаться задолго до того, как трещины станут значительными. Поэтому контроль результатов измерений фильтрационного потенциала может быть использован для раннего обнаружения потерь промывочной жидкости.
Аналогичным образом информация о фильтрационном потенциале может быть использована для раннего обнаружения аномальных пластовых давлений. Например, когда пластовое давление становится более высоким, чем скважинное давление, знак фильтрационного потенциала изменяется. Это изменение знака можно наблюдать до того, как в ствол скважины втечет флюид в количестве, достаточном для наблюдения скачка давления. Развитие реверсирования потока при бурении зоны аномального давления может происходить в течение короткого, но конечного периода времени. Любое реверсирование потока будет сразу же обнаруживаться по результатам измерений фильтрационного потенциала. Поэтому измерения фильтрационного потенциала имеют значение при раннем обнаружении аномального пластового давления.
Теперь обратимся к Фиг.23, на которой показан еще один вариант осуществления изобретения. На Фиг.23 представлен спускаемый на кабеле прибор 610 для измерения фильтрационного потенциала. Спускаемый на кабеле прибор 610 показан подвешенным на кабеле 611 в стволе 600 скважины (имеющем глинистую корку 607), пересекающем пласт 605. Спускаемый на кабеле прибор 610 снабжен изолированным зондом 616, на котором расположена группа электродов 618-1, 618-2, 618-3, …, включающая в себя опорный электрод 618-R и соответствующие схемы измерения напряжения, предпочтительно высокоимпедансные. Предпочтительно, чтобы электроды были покрыты полупористым материалом, таким, как цемент. Кроме того, прибор 610 включает в себя один или несколько рычагов 631, предпочтительно отводных, на которых закреплено одно или несколько лезвий 635. Лезвия 635 предназначены для прорезания щелей в глинистой корке 607, когда спускаемый на кабеле прибор перемещают по стволу скважины. Лезвия могут быть выполнены из поликристаллического алмаза. Поскольку между пластом и стволом скважины имеется большой репрессионный перепад давлений (наибольший перепад давлений имеется на глинистой корке), то после того, как лезвием 635 прорезается щель в глинистой корке 607, в щели будет быстро наращиваться новая глинистая корка, что приостанавливает поток флюида. Тем временем в пласте 605 формируется переходный процесс изменения давления. В скважинах, пробуренных с использованием бурового раствора на нефтяной основе, переходные процессы изменения фильтрационного потенциала будут возникать, если буровой раствор имеет водяную фракцию.
Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, в режиме непрерывного каротажа электроды 618 перемещаются вместе с прибором 610. Переходные процессы изменения фильтрационного потенциала воспринимаются в фиксированных пространственных точках различными электродами в группе. Расстоянием между электродами в группе и скоростью каротажа определяется частота квантования по времени переходного процесса изменения фильтрационного потенциала. Верхний электрод 618-R используется в качестве электрода опорного напряжения, поскольку он находится дальше всех от лезвий и здесь еще не происходит переходный процесс изменения фильтрационного потенциала. Предусмотрены провода, соединяющие электроды, измерительную электронику и телеметрическую аппаратуру, но они не показаны на Фиг.23.
Как упоминалось ранее, предпочтительно, чтобы рычаги 631 были отводными. В результате, лезвия 635 могут быть отведены, когда не будет необходимости в информации о фильтрационном потенциале, а прибор, если необходимо, может использоваться для повторных рейсов с целью регистрации данных о фильтрационных потенциалах на протяжении длительного периода времени. Для облегчения согласования данных из повторных рейсов предусмотрен детектор 640 гамма-излучения.
Как обсуждалось ранее при обращении к инструменту 510 для каротажа в процессе бурения, измерения фильтрационных потенциалов представляют собой пассивные измерения напряжений, которые могут быть выполнены в высокоомном стволе скважины при использовании высокоимпедансной электроники. В скважинах, пробуренных с использованием бурового раствора на нефтяной основе (без водяной фракции), предпочтительно, чтобы электроды были относительно большими (например, но без ограничения этими размерами, двенадцать дюймов на два дюйма), а для обеспечения плотного контакта с пластом предпочтительно, чтобы они были размещены на шарнирных площадках (не показанных) или на прижимном каротажном зонде.
В случае использования спускаемого на кабеле прибора 610 мгновенная водоотдача из разреза глинистой корки, по всей вероятности, происходит в течение более короткого периода времени по сравнению со временем, необходимым для того, чтобы переходный процесс изменения давления распространился за пределы зоны проникновения фильтрата. В таком случае источник переходного процесса изменения фильтрационного потенциала, возникающего при разрезании глинистой корки, может быть интерпретирован как дельта-функция времени. Инверсия данных для короткого периода времени может быть осуществлена без всяких входных данных из модели наращивания глинистой корки. После мгновенной водоотдачи глинистая корка будет снова нарастать благодаря статическому процессу. Толщина глинистой корки будет возрастать пропорционально корню квадратному из времени. При том, что глинистая корка нарастает пропорционально корню квадратному из времени, инверсия данных о фильтрационных потенциалах в течение более длительного периода времени все же является вполне робастной.
Проникновение бурового раствора в пласт является почти не прекращающимся процессом даже при хорошей системе циркуляции бурового раствора. Переходные процессы изменения фильтрационного потенциала, возникающие при проникновении бурового раствора в пласт, вероятно, могут быть измерены, если с момента бурения скважины или расширения ствола скважины до момента каротажа прошло не слишком много времени. Поэтому посредством прибора, показанного на Фиг.23, с отводными лезвиями (или без рычагов и лезвий) можно регистрировать фильтрационный потенциал, образованный при предшествующем бурении и/или расширении ствола скважины и непрерывном проникновении бурового раствора в пласт. В такой ситуации модель для продолжительного периода измерения и наращивания глинистой корки должна использоваться для интерпретации собранных данных о фильтрационных потенциалах. Поэтому должно быть понятно, что спускаемый на кабеле прибор для измерения фильтрационного потенциала может быть использован при соответствующем моделировании и инверсии для выполнения измерений проницаемости пласта в зоне проникновения фильтрата, за пределами зоны проникновения фильтрата и в дальней зоне, непрерывно по длине ствола скважины. Переходные процессы, регистрируемые в течение продолжительных периодов времени без использования режущего ножа, будут способствовать определению проницаемости в дальней зоне.
Возможность использования спускаемого на кабеле прибора из Фиг.23 для обнаружения переходных процессов изменения фильтрационного потенциала и получения качественных определений характеристик подкрепляется прямой моделью из Фиг.23а и результатами моделирования, показанными на фиг.23b-23е. В модели из Фиг.23а предполагается, что мгновенная водоотдача в результате разрезания глинистой корки происходит в течение более короткого периода времени по сравнению с периодом временем, необходимым для распространения переходного процесса изменения давления за пределы зоны проникновения фильтрата. Источник переходного процесса изменения фильтрационного потенциала, возникающего при разрезании глинистой корки, может быть интерпретирован как дельта-функция времени. Предполагается, что после мгновенной водоотдачи новой глинистой коркой приостанавливается любое дальнейшее течение.
На Фиг.23b показано, что ранние переходные процессы не зависят от не затронутой проникновением зоны. Требуется временной интервал, определяемый уравнением (4), чтобы переходный процесс изменения давления распространился в не затронутую проникновением зону. На Фиг.23с показано, что как фильтрационный потенциал в раннее время, так и фильтрационный потенциал в позднее время чувствительны к проницаемостям зоны проникновения фильтрата. То, что ранние данные и поздние данные являются чувствительными к проницаемостям разных зон, делает алгоритм инверсии совершенно робастным.
2
На Фиг.23d показана зависимость фильтрационного потенциала от толщины зоны проникновения фильтрата. Из уравнения (4) видно, что время, требуемое для распространения переходного процесса изменения давления через зону проникновения фильтрата, зависит от толщины Δ зоны проникновения фильтрата и проницаемости k зоны проникновения фильтрата через формульную комбинацию Δ/k. Из уравнения (8) видно, что при приближении к установившемуся состоянию фильтрационный потенциал, обусловленный зоной проникновения фильтрата, зависит от Δ и k через формульную комбинацию Δ/k. Различие между этими двумя формальными комбинациями приводит к предположению, что толщина и проницаемость зоны проникновения фильтрата могут быть индивидуально определены с помощью инверсии.
Результаты инверсии для случая синтетических данных, определенных из прямой модели, с добавлением шума в количестве 5% показаны на Фиг.23е. Все обращенные значения проницаемости зоны проникновения фильтрата, проницаемости не затронутой проникновением зоны и толщины зоны проникновения фильтрата очень хорошо согласуются с входными значениями, использованными в прямой модели.
В настоящей заявке были описаны и пояснены несколько вариантов осуществления устройств и способов для измерения фильтрационных потенциалов и определения на их основании характеристик подземных пластов. Хотя были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, не предполагается, что изобретение ограничено ими, а предполагается, что объем изобретения является широким, насколько допускается в области техники, к которой относится изобретение, и что описание должно толковаться аналогичным образом. Следовательно, необходимо понимать, что хотя были раскрыты конкретные приборы и компоновки электродов, могут быть осуществлены модификации при условии, что прибор или компоновка будет включать в себя группу электродов, с помощью которой можно измерять фильтрационные потенциалы. Поэтому, например, изобретение может быть видоизменено так, что в результате этого двумерная группа электродов может быть использована при некоторых обстоятельствах для получения информации об азимутальных фильтрационных потенциалах. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть осуществлены еще и другие модификации предложенного изобретения без отступления от его заявленных сущности и объема.