Способ диэлектрического каротажа околоскважинного пространства
DIELECTRIC LOGGING METHOD OF NEAR-WELLBORE

Область техники
Настоящее изобретение относится к средствам околоскважинных геофизических исследований, в частности, к способам электромагнитного каротажа околоскважинного пространства для определения электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости горных пород, расположенных вблизи ствола скважины. Изобретение может быть использовано в нефтяной, газовой и инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии для изучения физических свойств горных пород, выделения пластов-коллекторов и определения характера их насыщения (вода, нефть, газ), а также оценки мерзло-талого состояния грунтов и обнаружения локальных неоднородностей, расположенных в околоскважинном пространстве.
Уровень техники
Геофизические исследования скважин (ГИС) представляют собой комплекс физических методов, используемых для изучения горных пород в околоскважинном пространстве, а также для контроля технического состояния скважин. Каротаж, также известный как промысловая геофизика, предназначен для изучения свойств пород, непосредственно примыкающих к стволу скважины (радиус исследования до 1,5 м). Исходя из результатов каротажа, выполняются необходимые геологические построения.
Известно также, что электрические свойства пород зависят от степени их пористости и свойств заполняющего поры флюида: пресная или минерализованная вода, нефть, газ, лед. Поэтому электрометрические методы исследования скважин и особенно бесконтактные электромагнитные методы каротажа получили широкое применение во всех отраслях геологии.
Из уровня техники известны методы и измерительные комплексы, предназначенные для диэлектрического каротажа скважины. Среди них наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются следующие.
Известен способ диэлектрического индуктивного каротажа, раскрытый в описании к авторскому свидетельству СССР №192304 (опубл. 06.02.1967). Сущность известно способа заключается в следующем. В скважине возбуждается и измеряется переменное магнитное поле высокой частоты, для чего в скважину помещается генераторная катушка, ось которой совпадает с осью скважины (вертикальный магнитный диполь). Катушка запитывается током высокой частоты. Под действием переменного электромагнитного поля в окружающих породах индуцируются вихревые токи. Полное значение плотности индуцированного тока в любой точке представляет собой сумму плотности тока смещения и тока проводимости. Величина тока смещения пропорциональна диэлектрической проницаемости пород, величина тока проводимости - проводимости (удельному сопротивлению) окружающей среды. Как ток проводимости, так и ток смещения являются источниками вторичного магнитного поля. С помощью приемной катушки, расположенной на некотором расстоянии от генераторной, можно измерить это поле, величина которого в общем случае будет зависеть от диэлектрической проницаемости пород и их удельного сопротивления.
Известен способ волнового диэлектрического каротажа, раскрытый в описании к авторскому свидетельству СССР № 330245 (опубл. 24.02.1972). Сущность известного изобретения заключается в том, что в скважине возбуждают высокочастотное электромагнитное поле частотой порядка десятков мегагерц и измеряют разность фаз поля в двух его точках. Для повышения точности определения электрических свойств дополнительно измеряют отношение разностной амплитуды к амплитуде поля в одной точке и по результатам измерений вычисляют значения диэлектрической проницаемости и сопротивления горных пород.
Ограничением известных способов является использование в качестве излучающих и приемных устройств антенн рамочного типа – катушек, ось которых совпадает с осью скважины (измерительные установки НzHz). Основными преимуществами таких систем являются их компактность, относительная простота конструкции и слабая зависимость от антенного эффекта каротажного кабеля и проводов, соединяющих приемные и излучающие антенны. При этом к недостаткам известных способов следует отнести низкую эффективность магнитных антенн, так как при расстояниях излучатель – приемник более 2 м в нормальном разрезе не удается получить уверенный сигнал на высоких частотах (более 20 МГц), на которых, собственно, и начинает проявляться влияние диэлектрической проницаемости. Это обуславливает недостаточную глубинность исследований (расстояние от оси скважины, на котором окружающие породы еще оказывают влияние на регистрируемые параметры), что не позволяет судить о свойствах пород в неизмененной части пласта за пределами зоны проникновения бурового раствора. Еще одним недостатком представленных выше способов является использование одной, реже двух рабочих частот, что не позволяет определить частотную дисперсию электрических свойств пласта, которая несет важную информацию о текстурно-структурных особенностях флюидовмещающей породы.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности получения информативных параметров, характеризующих горные породы, которые залегают в околоскважинно пространстве.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении точности определения информативных параметров, характеризующих горные породы, залегающие в околоскважинном пространстве.
В соответствии с настоящим изобретением, технический результат достигается способом диэлектрического каротажа околоскважинного пространства, в котором
внутри скважины на каротажном кабеле перемещают скважинную часть, состоящую из расположенных по одной оси оптико-электрического преобразователя, скважинных излучателя и удаленных на два фиксированных расстояния от упомянутого излучателя верхнего и нижнего скважинных приемников;
последовательно на каждом шаге измерения скважинным излучателем излучают в околоскважинное пространство гармонические радиосигналы на нескольких частотах, выбранных из диапазона частот от 1 до 50 МГц в соответствии с программой излучения, принимаемой скважинным излучателем от наземной части, состоящей из ретранслятора и вычислительного модуля и связанной со скважинной частью посредством каротажного кабеля, регистрируют значения амплитуды тока и комплексного сопротивления на входе антенны излучателя при каждом излучении радиосигнала, передают эти значения в цифровой форме в наземную часть;
принимают прошедшие через горные породы в околоскважинном пространстве радиосигналы на каждом приемнике, при этом при приеме каждого радиосигнала на каждом шаге измерения регистрируют значения осевой компоненты электрического поля принятого радиосигнала и разности фаз измеренного поля между антеннами приемников, передают эти значения в цифровой форме в наземную часть;
проводят вычисление на вычислительном модуле наземной части электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости горных пород, залегающих в околоскважинном пространстве на основе зарегистрированных излучателем и приемниками значений.
При осуществлении заявленного способа скважинную часть перемещают вдоль ствола скважины с заданным дискретным шагом перемещения или непрерывно с заданной скоростью. Скважинную часть перемещают вдоль ствола скважины на одножильном каротажном кабеле.
В скважинных излучателе и приемниках могут быть использованы по существу идентичные осевые симметричные изолированные электрические антенны.
Обмен данными и командами между скважинными излучателем, приемниками и наземной частью может быть обеспечен оптическими каналами с оптико-электрическими преобразователями.
Измерения проводятся в широком диапазоне частот 1 – 50 МГц, в котором наиболее ярко проявляется дисперсия электрических свойств пород, связанная с граничной поляризацией, обусловленной извилистостью поровых каналов в породе. Изучение дополнительного параметра дисперсии электрических свойств позволяет характеризовать структуру пород и повысить точность определения характера насыщения пластов.
Отличиями заявленного способа от известных способов диэлектрического каротажа, являются следующие признаки:
– использование в излучателе и приемниках поля осевых симметричных изолированных электрических антенн обеспечивает существенное повышение «глубинности» исследований, то есть определения электрических свойств пород на больших расстояниях относительно оси скважины и неизмененных ее влиянием (зона проникновения бурового раствора и т.п.);
– проведение измерений последовательно на нескольких частотах из диапазона 1 – 50 МГц позволяет количественно определить коэффициенты частотной дисперсии электрических свойств пород, как сопротивления, так и диэлектрической проницаемости, и использовать эти параметры для более точного вычисления коэффициента водонасыщенности;
– при каждом измерении одновременно с принимаемым сигналом регистрируются напряжение и комплексное сопротивление на входе излучающей антенны, которые позволяют оценивать электрические характеристики среды вблизи излучающей антенны и, тем самым, повышают точность определения электрических характеристик неизмененных пород путем внесения соответствующих поправок.
эфф
эфф
0
В результате осуществления способа на вычислительном модуле получают информативные параметры – эффективное электрическое сопротивление (ρ) и эффективная диэлектрическая проницаемость (ε) горных пород, вычисляемые на конкретной частоте излучаемого скважинным излучателем электромагнитного поля. На основе интерпретации этих параметров определяют электромагнитные свойства горных пород, залегающих в околоскважинном пространстве. Наиболее информативным диапазоном гармонических частот излучаемого электромагнитного поля является диапазон от 1 до 50 МГц, диапазон электрических сопротивлений: от 0.1 до 2500 Омм, диапазон диэлектрической проницаемости: от 1 до 300*ε.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение проиллюстрировано чертежами, в соответствии с которыми:
– на фиг.1 представлена блок-схема скважинного многочастотного интроскопа для исследования околоскважинного пространства;
– на фиг.2 представлена блок-схема способа диэлектрического каротажа околоскважинного пространства;
– на фиг.3 представлен фрагмент пользовательского интерфейса программного обеспечения вычислительного модуля;
– на фиг.4 представлены результаты расчета характера насыщения коллекторов нефтяной скважины.
Осуществление изобретения
Заявленный способ диэлектрического каротажа околоскважинного пространства может быть применен с использованием диэлектрического интроскопа, блок-схема которого представлена на фиг.1, при работе в разведочных и эксплуатационных не обсаженных металлом скважинах. Такие скважины могут быть пробурены на нефть, газ, твердые полезные ископаемые, а также для обеспечения различных инженерно-геологических работ. Скважины могут иметь стеклопластиковую или полиэтиленовую обсадку. Конструктивное выполнение интроскопа позволяет обеспечить его использование в скважинах, заполненных буровым раствором на водной или нефтяной основе, а также в сухих скважинах.
Блок-схема скважинного диэлектрического многочастотного интроскопа для исследования околоскважинного пространства представлена на фиг.1. Конструктивно интроскоп состоит из двух частей – скважинной и наземной. Более детально скважинная часть состоит из расположенных по одной оси оптико-электрического преобразователя 101, каротажного кабеля 108, скважинного излучателя 102, верхнего скважинного приемника 103 и нижнего скважинного приемника 104, которые последовательно связаны по оптическому каналу оптоволоконными линиями связи 109, 110 и 111. Оптоволоконная линия связи 109 связывает оптико-электрический преобразователь 101 и скважинный излучатель 102, оптоволоконная линия связи 110 связывает скважинный излучатель 102 и верхний скважинный приемник 103, оптоволоконная линия связи 111 связывает верхний скважинный приемник 103 и нижний скважинный приемник 104. Скважинная часть выполнена с возможностью ее перемещения вдоль ствола скважины, что обеспечивается каротажным подъемником 105. Наземная часть связана со скважинной частью через каротажный кабель 108 и состоит из связанных ретранслятора 106 и вычислительного модуля 107. Конструкции верхнего 103 и нижнего 104 скважинных приемников аналогичны, при этом и в излучателе 102, и в приемниках 103 и 104 используют по существу идентичные осевые симметричные изолированные электрические антенны. Каротажный кабель 108 может быть представлен одножильным каротажным кабелем.
На фиг.2 представлена блок-схема заявленного способа диэлектрического каротажа околоскважинного пространства.
На этапе 201 проводят перемещение скважинной части интроскопа вдоль ствола скважины. В одном частном случае, скважинная часть перемещают вдоль ствола скважины с заданным шагом для того, чтобы получать измерения параметров излучаемого в околоскважинное пространство электрического поля в нескольких точках измерения внутри скважины. В другом частном случае, скважинную часть перемещают вдоль ствола скважины непрерывно с заданной скоростью, достаточной для того, чтобы получать измерения параметров излучаемого в околоскважинное пространство электрического поля в непрерывном режиме в необходимом для последующей интерпретации количестве.
На этапе 202 проводят излучение гармонических радиосигналов в околоскважинное пространство скважинным излучателем 102. Радиосигналы излучают на нескольких радиочастотах, выбранных из диапазона частот от 1 до 50 МГц в соответствии с программной излучения, принимаемой скважинным излучателем 102 от наземной части. Программа излучения может быть предварительно сформирована на вычислительном модуле 107. Текущей глубине погружения скважинной части соответствует набор измерений фазы и амплитуды сигнала, пропорционального напряженности электромагнитного полю, возбужденному скважинным излучателем 102 и прошедшего через породы в околоскважинном пространстве, а также ток на входе антенны излучателя 102 и комплексное сопротивление антенны на этой частоте. Конкретные частоты в количестве от 2 до 50 задаются при подготовке прибора к измерениям, и могут быть заданы в программе излучения.
На этапе 203 проводят регистрацию значений амплитуды тока и комплексного сопротивления на входе антенны излучателя 102 при каждом излучении радиосигнала.  Затем измеренные значения передают в цифровой форме в наземную часть для последующей их обработки на вычислительном модуле 107.
На этапе 204 проводят прием прошедших через горные породы в околоскважинном пространстве радиосигналы на каждом приемнике. Верхний 103 и нижний 104 скважинные приемники располагают на одной вертикальной оси со скважинным излучателем 102 на двух фиксированных расстояниях от него, называемых разносами L1 и L2.
На этапе 205 регистрируют значения осевой компоненты электрического поля принятого радиосигнала и разности фаз измеренного поля между антеннами приемников 103 и 104, передают эти значения в цифровой форме в наземную часть. Данные об измеренных значениях передают через оптоволоконные линии связи 110 и 111 сначала в излучатель 102, а затем через оптоволоконную линию связи 109 и оптико-электрическую развязку 101 на каротажный кабель 108, с которого принимаются ретранслятором 106 и регистрируются на вычислительном модуле 107. Вся процедура выполняется в автоматическом режиме, после чего проводят возврат к этапу 201 и скважинную часть интроскопа перемещают на следующую точку измерений.
эфф
эфф
На этапе 206 проводят вычисление на вычислительном модуле 107 наземной части электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости горных пород, залегающих в околоскважинном пространстве на основе зарегистрированных излучателем и приемниками значений. Затем на основе полученных данных проводят интерпретацию информативных параметров. Интерпретация проводится итерационно методом подбора путем сравнения измеренного поля с расчетным. Подбор осуществляется на всех измеренных частотах одновременно путем минимизации функционала. Влияние диэлектрической проницаемости среды на измеряемое поле начинает проявляться с 5 МГц и увеличивается с увеличением частоты поля. Поэтому выбранный для измерений диапазон рабочих частот от 1 до 50 МГц делает возможным вычисление двух интерпретационных параметров среды: электрического сопротивления (ρ) и диэлектрической проницаемости (ε).
Совокупность измерений на выходе каждого из скважинных приемников 103 и 104 может быть визуализирована в виде диаграмм «частотных спектров» (301), как это представлено на фиг.3. По вертикальной оси отложена глубина, по горизонтальной – рабочие частоты, а цветом дана интенсивность измеренного параметра поля.
эфф
эфф
Оценку влияния зоны проникновения проводят путем сопоставления значений ρи ε, вычисленных по измерениям на малом и большом разносах установки.
эфф
эфф
эфф
эфф
Вычисление двух интерпретационных параметров ρи ε на частоте 1МГц осуществляется одновременно на всех измеренных частотах путем минимизации функционала между теоретически рассчитанной частотной зависимостью поля и экспериментально измеренной. При вычислении значений ρи ε   количественно оцениваются их частотные дисперсии Dρ и Dε, которые связаны с извилистостью поровых каналов коллектора и могут быть пересчитаны в коэффициент MN уравнения Арчи – Дахнова. Коэффициенты дисперсии тем выше, чем больше извилистость поровых каналов, заполненных водой. Конечным интерпретационным параметром является коэффициент нефтенасыщенности Кн, вычисляемый для каждого интервала коллектора с учетом частотной дисперсии.
При необходимости количественного учета изменения диаметра скважины, обработка проводится по алгоритму двуслойной среды с привлечением данных кавернометрии.
Контроль и учет изменения сопротивления бурового раствора осуществляется на основе измеренных значений комплексного сопротивления излучающей антенны.
эфф
эфф
Оценку влияния зоны проникновения проводится путем сопоставления значений ρи ρ, вычисленных по измерениям на малом L1 и большом L2 разносах скважинной части.
Пример. Нефтяная скважина 177 Андреевской площади, вскрывшая разрез верхнего отдела Девонской свиты.
На спектрах поля (диаграммы “частотных спектров”, представленные на фиг.3) наглядно разделяются толщи карбонатных (красные цвета) и терригенных пород (зеленовато синие цвета). Видно, что характер изменения поля с частотой в районе коллекторов также различен. Нефтяным коллекторам соответствуют высокие значения поля на обоих разносах 301 и 302 и низкие значения градиента 303 (например, коллектор в интервале 2224,4 – 2226,8 м), а водонасыщенным соответствуют низкие значения поля и высокий градиент, наблюдаемые с самых нижних частот (в коллекторе 2237,3 – 2240,3 м).
эфф
эфф
На фиг.3 представлен фрагмент графического пользовательского интерфейса программного обеспечения вычислительного модуля 107. В левой части представлен частотный спектр поля In(Ez) 301. В окне 302 представлена визуализация выведенной экспериментальной частотной зависимости поля на конкретной глубине. Поля 303 и 304 соответствуют выводу интерпретационных параметров: расчетные значения эффективной диэлектрической проницаемости ε, эффективного электрического сопротивления пород ρ и коэффициентов частотной дисперсии 305 и 306, соответствующие подобранной теоретической кривой.
эфф
эфф
Частотная зависимость обеспечивает необходимую точность подбора значений ρи εдля каждой частоты путем сравнения измеренной частотной зависимости поля (красная кривая) и теоретической кривой (синяя кривая), которая отражается в окне 307 «карта погрешности».
По коэффициентам дисперсии на каждой глубине напротив коллектора определяется показатель степени в уравнении Арчи – Дахнова (коэффициент MN), который, в свою очередь, используется для вычисления коэффициента нефтенасыщения Кн. Результаты расчета представлены на фиг.4, где
Ro –электрическое сопротивление горных пород,
Eps – относительная диэлектрическая проницаемости,
DispRo – коэффициент частотной дисперсии электрического сопротивления,
MN - показатель степени в уравнении Арчи – Дахнова,
Кп – коэффицент пористости,
Кн - коэффициент насыщения.
Графа “Предварительное насыщение MFDI” указывает на характер насыщения в коллекторах скважины.
Оценка эффективности метода проводилась на основе сравнения заключения о характере насыщения по полученным данным с использованием настоящего изобретения и по стандартному комплексу ГИС с технологическими данными о фактической добычи из данной скважины и степени ее обводненности в процессе последующей эксплуатации. Для анализа было отобрано 27 скважин с разными геологическими и технологическими условиями.
Как видно из этих данных, анализ показал, что значительных расхождений между результатами проведенных исследований и данными по добыче не наблюдается, результаты интерпретации в основном полностью подтвердились результатами последующей эксплуатации.