СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖНОГО ИЗОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ELECTROMAGNETIC ISOPARAMETRIC LOGGING METHOD

Изобретение относится к области геофизических исследований электрических свойств горных пород и может быть использовано для определения электрических характеристик горных пород в окрестности скважины, бурящейся на нефть и газ.
Известен способ электромагнитного каротажного зондирования, основанный на измерении характеристик переменного гармонического магнитного поля комплексом геометрически подобных трехкатушечных зондов, состоящих из генераторной и пары разнесенных друг от друга измерительных катушек. Генераторные катушки питают токами синхронных гармонических частот, значения которых обратно пропорциональны длинам зондов, и измеряют разности фаз между векторными значениями ЭДС синхронных колебаний. Устройства, реализующие способ, отличаются количеством зондов и тем же количеством измеряемых характеристик электромагнитного поля. Устройства могут отличаться видом измеряемой характеристики магнитного поля (амплитуды, фазы и различные функции этих величин), формируемых на основе измеряемых откликов поля от среды.
Известный способ реализован в устройстве для каротажного электромагнитного зондирования согласно авторскому свидетельству СССР №1004940, МПК G01V 3/18, 1983, а также в устройстве для электромагнитного каротажа скважин согласно патенту РФ №206305392875, МПК 6 G01V 3/18. Опубликован 27.06.96. Бюллетень №18.
Все манипуляции с возбуждением и измерением переменных магнитных полей выполняются с синхронными гармоническими колебаниями.
В известном способе количество измеряемых разностей фаз ограничено числом трехкатушечных зондов. Ограниченность числа измерений снижает точность в оценке изменений электрических свойств в околоскважинном пространстве, вызванных вытеснением пластовых флюидов фильтратом бурового раствора. В совокупности это накладывает ограничение на восстановление истинных параметров геологической среды.
Цель изобретения - повышение информативности и расширение диапазона исследований за счет увеличения чувствительности к изменениям удельного сопротивления среды в диапазоне измерений, разрешающей способности и радиальной глубинности исследования среды из скважины.
1
2
3
N-1
N
1
2
3
N-1
N
1
2
2
3
N-1
N
1
2
2
3
N-1
N
Поставленная цель достигается тем, что в способе, при котором измерения проводят набором из нескольких зондов, включающих генераторные и измерительные катушки, предлагается зондирование выполнять набором из N-го количества двухкатушечных зондов различной длины: Z<Z<Z<…<Z<Z, состоящих их одной генераторной и одной измерительной катушки, генераторные катушки зондов питать током различных частот: ω>ω>ω>…>ω>ω при равных величинах произведений длины зонда в квадрате на частоту  и измерять каждой смежной парой зондов Z и Z, Z и Z, …, Z и Z пары фаз φ и φ, φ и φ, …, φ и φ несинхронных колебаний ЭДС гармонических частот, по которым вычислять для каждой пары смежных зондов приведенную разность фаз путем умножения вычитаемой фазы на величину отношения частот большую единицы  и(или) путем умножения уменьшаемой фазы на величину отношения частот меньшую единицы  по которым определять удельную электропроводность среды с большей и(или) меньшей разрешающей способностью.
Величины отношения частот для вычитаемых фаз в приведенных разностях фаз могут быть определены в пределах
Величины отношение частот для уменьшаемых фаз в приведенных разностях фаз могут быть определены в пределах
Предлагаемый способ иллюстрируется графическими материалами, поясняющими сущность изобретения.
На фиг.1 представлено схематическое изображение системы двухкатушечных зондов для устройства, реализующего предлагаемый способ, основанный на применении несинхронных гармонических колебаний. Зонды пронумерованы в порядке возрастания их длины от 1 до N. Каждый из зондов состоит из генераторной катушки 1.1-1.N и измерительной катушки 2.1-2.N.
На фиг.2 показаны результаты сравнительных расчетов для приведенной разности фаз Δψ (ось ординат) от обобщенного параметра р (ось абсцисс) для двух пар коэффициентов приведения (отношения частот) по предлагаемому способу и данные прототипа ВИКИЗ. [Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ. Методическое руководство. Ред. Эпов М.И., Антонов Ю.Н. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, Издательство СО РАН, 2000.]
Предлагаемый способ электромагнитного каротажного изопараметрического зондирования основан на теории поля магнитного диполя в сферических и цилиндрических координатных системах [А.А.Кауфман. Введение в теорию геофизических методов. Часть 2. Электромагнитные поля. Перевод с англ. - М., Недра. 2000].
ϕ
R
θ
В сферической системе координат уравнения для электрической Е и магнитных H, Н компонент поля магнитного диполя, момент которого ориентирован по оси θ=0, определены для однородной изотропной среды
где R - расстояние от центра (О) диполя до точки наблюдения (Р);
ϕ - угол между полуплоскостями ZOX и ZOP;
θ - угол ZOP между лучами OZ и ОР;
ω - круговая частота колебаний магнитного поля;
-7
µ - абсолютная магнитная проницаемость среды, равная 4π·10 [Гн/м];
0
0
-iωt
М - момент переменного магнитного диполя, которым может служить многовитковая катушка с током I=Ie, где I - амплитуда тока;
k - волновое число (приведено ниже).
Часть составляющих в этих уравнениях отражает значения компонент поля , ,  в непроводящей среде (в воздухе) без учета токов смещения, которые имеют вид
ϕ
R
θ
С учетом этого компоненты поля магнитного диполя е, h, h в проводящей поляризующейся среде в относительных единицах запишутся в виде
z
В цилиндрических координатах относительная компонента магнитного поля h на оси магнитного диполя (в соответствии с (5 и 8)), описывается следующим выражением:
здесь Z - расстояние от центра генераторного диполя по оси z;
- вертикальная компонента поля на оси диполя в воздухе.
Волновое число определяется электрическими параметрами среды и частотой колебания магнитного поля диполя:
Здесь
и
Здесь а и b - соответственно реальная и мнимая компоненты волнового числа k,
отн
0
ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды - ε=εε,
0
-12
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85·10 [Гн/м];
σ - удельная проводимость среды [См/м].
Как видно из выражений (12) и (13), влияние параметров среды на поле в сильной а мере зависит от отношения, что адекватно соотношению токов проводимости к токам смещения.
Реальная компонента а волнового числа является фазовой постоянной и определяет длину волны в среде -  (расстояние, на котором фаза плоской волны меняется на 2π. Мнимая компонента b носит название коэффициента поглощения и определяет глубину проникновения поля - , называемую часто скин-слоем. Глубина b проникновения поля соответствует расстоянию в [м], на котором поле плоской волны убывает в е раз.
Произведя в уравнении (10) разделение на реальную и мнимую компоненты поля, получаем
Относительная амплитуда поля на оси диполя запишется в виде
Фаза гармонического колебания на осевом расстоянии Z от магнитного диполя
1
2
1
2
В известном способе электромагнитного индукционного зондирования измеряют разность фаз между двумя синхронными колебаниями. В точках размещения измерительных катушек на расстояниях Z и Z (Z>Z) от генераторной катушки разность фаз запишется, в соответствии с (17), в следующем виде:
Соответственно, разность амплитуд, с учетом (14, 15) и (16), представляется в виде
1
2
При регистрации амплитуд на расстояниях Z и Z необходимо обеспечивать равенство прямых полей в соответствии с уравнением (10) - .
Как следует из выражений (18) и (19), и разность фаз, и амплитуда несут информацию о проводимости и диэлектрической проницаемости. Выбор той или иной характеристики поля зависит от рабочей частоты, длины зонда, проводимости и диэлектрической проницаемости среды. Фазовые характеристики являются наиболее предпочтительными, поскольку отпадает необходимость контролировать постоянство и равенство сигналов от электромагнитного поля в непроводящей среде (воздухе).
Условия на параметры зондов определяют из выражений для электромагнитного поля, когда токами смещения можно пренебречь. Таким условием является малая величина отношения
в уравнениях для компонент волнового числа (12) и (13).
При этом реальная и мнимая компоненты волнового числа
где  - толщина скин-слоя, которая тем меньше, чем больше электропроводность среды и выше частота колебаний электромагнитного поля.
Выражение для фазы гармонического колебания поля магнитного диполя, в соответствии с условием (20), определяется следующим соотношением:
Здесь  - безразмерный параметр; i=1 и 2, где 1 индекс длинного зонда, 2 - индекс короткого зонда в составе трехкатушечного зонда.
i
i
Численная величина р зависит от длины зонда Z и частоты колебаний электромагнитного поля - ω. Произведение этих параметров определяет основные характеристики трехкатушечных зондов с N-м их количеством в устройстве, реализующем способ-прототип.
1
2
В уравнениях (22) - const>const. Этими константами определяются численные величины электродинамического изопараметра с размерностью .
Примером устройства, реализующего известный способ электромагнитного каротажного изопараметрического зондирования, является комплекс ВИКИЗ. [Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ. Методическое руководство. Ред. Эпов М.И., Антонов Ю.Н. - Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, Издательство СО РАН, 2000.]
1
2
3
N-1
N
Комплекс ВИКИЗ состоит из N-го количества трехкатушечных зондов, которые пронумерованы цифрами в порядке увеличения длины 7, 2, 3, …, N-1, N. Генераторные катушки зондов питают гармоническими частотами ω>ω>ω>…>ω>ω, которые уменьшаются по мере увеличения длины зондов.
N
1
2
1
3
Все возможные отношения длин между одноименными катушками смежных зондов являются величинами постоянными, что соответствует их геометрическому подобию. Характеристической величиной трехкатушечных зондов является относительная длина между измерительными катушками в долях максимальной длины трехкатушечного зонда: ΔZ=(Z-Z)/Z=const. Эта величина является геометрическим изопараметром трехкатушечных зондов.
Трехкатушечными зондами измеряют разность фаз между векторными амплитудами Э.Д.С., наведенными в измерительных катушках переменным магнитным полем одной и той же частоты.
Выражение для разности фаз изопараметрических зондов, в соответствии с уравнением (18) и условия (20), имеет вид:
где  и  - безразмерные параметры для всех N-х двухкатушечных зондов в однородной изотропной среде.
Геометрический изопараметр трехкатушечных зондов не зависит от частоты:
N
Здесь ΔZ - величина постоянная для всех трехкатушечных зондов с синхронными гармоническими колебаниями.
1
2
Таким образом, в известном способе - прототипе, реализованном в устройстве ВИКИЗ, измеряют разности фаз между парами синхронных гармонических колебаний S и S, которые имеют вид:
Векторная разность амплитуд является разностью фаз или сдвигом фаз двух синхронных колебаний
Разность фаз двух синхронных колебаний не зависит от выбора начала счета времени.
Действительно, пусть t - время, отсчитываемое по первому секундомеру вступление сигнала в ближнюю измерительную катушку, t* - время вступления в дальнюю катушку зонда по второму секундомеру. Оба секундомера имеют одинаковый ход. Очевидно, что сигнал во второй катушке появится с запозданием на время τ. Следовательно, мгновенный отсчет времени в разнесенных измерительных катушках зонда будет иным, а именно:
1
2
Подставляя этот отсчет в уравнения для S и S, получаем уравнения для обоих колебаний при счете времени вступления сигнала во вторую, более удаленную, катушку зонда:
где
1
2
1
2
Таким образом, фазы φ* и φ* отличны от φ и φ при отсчете времени по второй измерительной катушке, более удаленной от источника поля. Однако, как следует из приведенного уравнения (30)
разность фаз между фазами двух синхронных колебаний не зависит от выбора начала счета времени.
Таким образом, в известном способе заложен принцип измерения разности фаз между синхронными гармоническими колебаниями. Базами измерения являются пары измерительных катушек в трехкатушечных геометрически подобных зондах.
В предлагаемом способе измерения разности фаз выполняют между асинхронными (несинхронными) гармоническими колебаниями. Базами измерения являются пары смежных двухкатушечных зондов, генераторные катушки которых питаются токами различных гармонических частот. Длины двухкатушечных зондов и их различные частоты определяются следующим уравнением:
Согласно уравнению (31) каждая пара смежных зондов, например, по мере уменьшения длины является измерительной базой несинхронных гармонических колебаний электромагнитных полей. Такими измерительными базами являются пары зондов со следующими номерами в соответствии с фиг.1: (N и N-1), …, (3 и 2), (2 и 1). Указанными парами зондов измеряют фазы несинхронных колебаний:  и , …, , и ,  и . Разность фаз между несинхронными колебаниями вычисляют приведением одной из фаз к единому счету времени со второй фазой. Таким путем получают приведенную разность фаз несинхронных колебаний.
Сущность приведенной разности фаз несинхронных колебаний рассмотрим на примере двух различных гармонических колебаний двух смежных зондов с номерами 1 и 2 в соответствии с уравнением (31):
Тогда, при другом начале счета времени, имеем согласно (27)
где
откуда разность
1
2
Из (36) следует, что разность фаз (φ-φ) зависит от начала отсчета времени.
Однако от начала отсчета времени не зависят величины
определяемые как «приведенные разности фаз» несинхронных колебаний: [Г.С.Горелик. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. Государственное издательство физико-математической литературы (издание второе). М., 1959. С.29].
Соотношения (37) нетрудно проверить путем приравнивания уравнений (34) и (35) относительно времени τ:
1
2
1
2
Умножая левую и правую части уравнения (38) на ω или ω(ω>ω), получаем два значения приведенных разностей фаз, которые отличаются частотной зависимостью:
1) фаза, соответствующая меньшей частоте колебания, умножается на отношение частот - , что соответствует максимальной частотной зависимости приведенной разности фаз
2) фаза, соответствующая большей частоте колебания, умножается на отношение частот - , что соответствует минимальной частотной зависимости приведенной разности фаз
В соответствии со схемой на фиг.1 и уравнений (39) и (40) для набора зондов приведенные разности фаз Δψ будут выражены двумя рядами.
1. Первый ряд разностей фаз приводят к фазе более высокой частоты
2. Второй ряд разностей фаз приводят к фазе низкой частоты
Следовательно, каждой смежной парой зондов можно формировать две системы зондирования, которые различаются пространственными характеристиками относительно геоэлектрического разреза.
В соответствии с уравнением (41) измерения выполняются на повышенных частотах смежных пар зондов, после приведения фазы зонда большей длины к фазе короткого зонда. Все измеряемые приведенные разности фаз в уравнениях (41) равны между собой в однородной изотропной среде при различной глубине исследования среды из скважины. Приведение разности фаз на повышенную частоту (уравнения - (41)) улучшает разрешающую способность зондирования среды при меньшей пространственной глубине ее исследования.
Согласно уравнению (42) измерения проводят на пониженных частотах смежных пар, обеспечивая большую радиальную глубину исследования среды при меньшей разрешающей способности параметров среды. При этом измеряемые приведенные разности фаз в уравнениях (42) равны между собой в однородной изотропной среде, что обеспечивает различную глубину исследования среды из скважины.
N
В качестве примера на фиг.2 приведены результаты расчета приведенных разностей фаз - Δψ (ось ординат в градусах) в зависимости от обобщенного параметра - p (ось абсцисс) для модели однородной изотропной среды. Шифры кривых соответствуют предельным величинам отношения частот. Одна пара предельных отношений большей частоты к меньшей частоте находится в диапазоне от 1,2 до 1,4. Другая пара предельных отношений частот заключена между значениями от  до  или - от 0,714 до 0,833. Для сопоставления приведен график тех же зависимостей для зондового комплекса ВИКИЗ.
Из приведенных графиков на фиг.2 можно сделать вывод о различной разрешающей способности способа, которая определяется отношением частот при формировании приведенных разностей фаз. Большая и(или) меньшая разрешающая способность к удельной электропроводности среды обеспечивают высокий потенциал предлагаемому способу в практике электромагнитного зондирования среды из скважин, бурящихся на нефть и газ.