УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ В СКВАЖИНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАКРОАНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Полезная модель относится к области геофизических исследований в нефтегазовых скважинах, а именно к устройствам для изучения анизотропии электрических свойств горных пород, окружающих скважину. Электрическая анизотропия пластов коллекторов и сопутствующих им геологических образований (речь идет о средней макроанизотропии среды, создаваемой чередованием параллельных напластований изотропных сред с различной электропроводностью) является устойчивым признаком нефтегазоносности на месторождениях Западной Сибири.
В настоящее время известен ряд устройств - аналогов, применяемых для определения электрической макроанизотропии горных пород и пластов, пересеченных скважиной. Эти устройства конструктивно выполнены в виде индукционных зондов с несколькими различно ориентированными по отношению к оси прибора генераторными и измерительными катушками [1] или представляют собой собранный в едином корпусе аппаратурно-программный комплекс зондов постоянного и переменного тока, реализующий в процессе каротажа несколько геофизических методов. В качестве примера укажем на аппаратурно-методический автономный комплекс для геофизических исследований эксплуатационных скважин СКЛ-А-160 [2], производимый научно-производственным предприятием геофизической аппаратуры «Луч»: http://www.looch.ru.
В первом аналоге [1] источником и приемником электромагнитного поля служат совмещенные ортогональные катушки, а измерения выполняются на нескольких расстояниях. Совмещенные трехкомпонентные источник и приемник позволяют измерять ЭДС, соответствующие всем компонентам полного тензора электромагнитного поля. Известно, что основными недостатками определения электрической макроанизотропии с использованием трехкомпонентных индукционных систем являются малые значения сигналов перекрестных компонент, сильное влияние формы скважины, несовместность измерений в силу разных механизмов осреднения удельного электрического сопротивления для разных компонент, а также сильная потеря точности определения вертикального сопротивления при больших значениях коэффициента электрической макроанизотропии [3].
Второй аналог [2] (применяемый в Западной Сибири комплекс СКЛ-А-160) реализует 10 геофизических методов исследования скважин, позволяет решать ряд геолого-геофизических задач и, в том числе, ориентирован на определение макроанизотропии электрического сопротивления по совокупности сигналов бокового каротажного зондирования (БКЗ) и данных высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ).
Аппаратура ВЭМКЗ включает в себя 5 или 9 трехкатушечных зондов длиной от 0.5 до 2 м. Каждый зонд работает на одной частоте в диапазоне от 14 до 0.875 МГц, генераторная и две приемных катушки соосны прибору, измеряется разность фаз и отношение амплитуд э.д.с. Модуль БКЗ в автономной аппаратуре СКЛ-А-160 отличается от кабельных вариантов размещением электродов на жестком корпусе фиксированного диаметра 0.102 м. При определении электрической макроанизотропии разреза к числу недостатков системы измерений с помощью аппаратуры «СКЛ-А-160» относятся: требование высокой чувствительности сигналов БКЗ к коэффициенту электрической анизотропии разреза; необходимость предварительной идентификации анизотропных интервалов разреза [4].
В настоящее время установлено, что метод БКЗ, в силу причин физического характера, связанных с совместной симметрией поля и среды, принципиально позволяет получать информацию о поперечном сопротивлении пластов [5, 6]. Однако в процессе зондирования, при увеличении длины зонда, происходит потеря чувствительности измеряемого сигнала к величине поперечного сопротивления, и кажущееся сопротивление стремится к асимптотическому значению, равному продольному сопротивлению (парадокс анизотропии).
Известно, что решение обратных задач и интерпретация БКЗ в анизотропных разрезах является сложной и неоднозначной процедурой. В работе [7] выявлена эквивалентность цилиндрически-слоистых анизотропных сред изотропным образованиям. Однородный анизотропный пласт, пересеченный скважиной, при изучении зондами БКЗ оказывается эквивалентным неоднородному изотропному пласту с уменьшающимся по мере удаления от стенок скважины сопротивлением (КМ-эквивалентность). При интерпретации необходимо задавать значения горизонтальной проводимости анизотропной среды. Указанное обстоятельство делает невозможным прямое выявление анизотропных интервалов в рамках метода БКЗ.
Наиболее близким к заявляемому устройству для измерения электрической анизотропии горных пород (прототипом) является устройство для лабораторного моделирования, предложенное в [8]. Устройство включает дипольно-экваториальный зонд, генераторный и приемный диполи которого размещены на пластмассовой пластине (каркасе) толщиной 1 мм и шириной 1,2-1,8 см. Моменты диполей ориентированы перпендикулярно оси каркаса. Длина каркаса в процессе эксперимента не превышала 10 см.
На поверхности каркаса были установлены свинцовые шарообразные электроды, жестко зафиксированные в каркасе для исключения их перемещения. Электроды при помощи проводов были соединены со стандартной электроразведочной аппаратурой Электротест С. Для проведения исследований была сконструирована лабораторная установка, включающая, помимо зонда, модель анизотропной среды. Модель состояла из набора картонных и плексигласовых пластин. В результате модельных экспериментов подтверждена принципиальная возможность определения коэффициента электрической макроанизотропии по результатам измерений, полученных дипольно-экваториальным зондом. К числу основных недостатков прототипа можно отнести необходимость предварительного задания известных значений продольного электрического сопротивления макроанизотропной среды для оценки коэффициента анизотропии по результатам измерений.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков, а техническим результатом - создание устройства для выявления и измерения электрической макроанизотропии горных пород, окружающих скважину.
Научно-обоснованный подход к получению технического результата был сформулирован в авторском свидетельстве одного из авторов [9]. Предложен способ каротажа, для определения коэффициента анизотропии пластов. Способ лишен таких недостатков БКЗ, как парадокс анизотропии и КМ-эквивалентность. Доказано, что в основе парадокса анизотропии и КМ-эквивалентности лежит осевая симметрия поля, сделан вывод, что в простейших неосесимметричных полях (например, дипольного типа) оба явления отсутствуют.
MN
Заявляется следующая конструкция устройства (зонда). Непроводящий полый цилиндр радиусом d служит корпусом устройства, на наружной поверхности которого размещены питающие (А и В) и приемные (М и N) электроды (Фиг. 1). Все электроды лежат в одной, проходящей через ось цилиндра секущей плоскости и расположены в противоположных точках диаметров АВ и MN. Длиной зонда называется расстояние L между диаметрами АВ и MN. Устройство питается постоянным током I, стекающим с электродов А и В. Под сигналом зонда ΔU понимается измеряемая разность потенциалов между электродами М и N.
Обоснование заявляемой конструкции, основано на построении математической модели устройства, численном моделировании и анализе связи измеряемого зондом сигнала с параметрами разреза в условиях цилиндрически-слоистой среды.
c
t
n
Пусть зонд находится в скважине радиусом  обладающей сопротивлением ρ и пересекающей анизотропный пласт бесконечной мощности. Коэффициент анизотропии пласта, его продольное и поперечное сопротивления равны Λ,ρ,ρ соответственно (Фиг. 1).
Изучение связей между характеристиками поля и параметрами геоэлектрических моделей удобно начинать с построения и анализа асимптотических выражений для компонент поля.
Методом, изложенным в [6], можно получить приближенное выражение для сигнала зонда  в двухслойной анизотропной среде, справедливое в случае относительно больших длин зондов  и предположении бесконечной длине непроводящего корпуса зонда:
Здесь введено следующее обозначение:  и из (1) следуют основные свойства асимптотического представления
1. Величина сигнала зонда обратно пропорциональна квадрату коэффициента анизотропии пласта Λ
t
2. Остальные электрические и геометрические свойства среды входят в выражение для сигнала через так называемый коэффициент контрастности k, содержащий лишь значения продольного электрического сопротивления пласта и сопротивление скважины. Поскольку модуль значения этого коэффициента не превосходит единицы, то условия справедливости асимптотики (1) практически не связаны со значениями коэффициента контрастности.
Установлено, что в практически значимом диапазоне значений коэффициента макроанизотропии  сигналы длинных зондов  равномерно по геоэлектрическим параметрам описываются простым приближенным соотношением (1).
Пренебрежем в (1) членами, содержащими коэффициент контрастности, по сравнению с единицей. В итоге получаем простое выражение, однозначно связывающее измеряемый зондом сигнал с коэффициентом анизотропии:
(2)
На основе численного моделирования и анализа электрических сигналов в макроанизотропных средах выполнен анализ измеряемых сигналов в рассматриваемой зондовой системе предлагаемого устройства. Установлена минимальная длина зонда, при которой измеряемый сигнал описывается приближенными выражениями.
k
Обратимся к данным Фиг. 2, где для ряда значений коэффициента анизотропии пласта (шифр кривых - Λ) представлена зависимость параметра кажущейся анизотропии Λ от длины зонда.
k
Исходя из формулы (1), Λ вводится следующим образом:
(3)
Для асимптотического представления сигнала (2) кажущийся параметр имеет следующий вид:
k
Из представленных на Фиг. 2 данных математического моделирования следует, что с увеличением длины зонда параметр кажущейся анизотропии, введенный по формуле (3), монотонно возрастает, с увеличением длины зонда, и при L=0.8-1 м для всех рассмотренных значений параметров модели отличается от истинного значения анизотропии в меньшую сторону, не более чем на 3-5%. При дальнейшем увеличении L параметр Λ стремится к соответствующему значению Λ.
Совокупность признаков, включающая дипольный характер электрического поля, создаваемого заявляемым устройством, и выбор длины устройства L=0.8-1 м обеспечивает получение полезной моделью заявленного технического результата. Сигналы зонда заявленной длины однозначно связаны с коэффициентом макроанизотропии среды и практически не зависят от ее продольной проводимости.
В диапазоне длин зонда L>0.8 м заявляемое устройство может служить датчиком прямого действия, фиксирующим наличие электрической анизотропии при прохождении зонда по разрезу. Действительно, в силу простоты функциональных связей (3), (4) измеренный сигнал не нуждается в решении соответствующей обратной задачи для оценки анизотропии и может быть проградуирован в значениях параметра Λ.
k
Как следует из (4), параметр Λ в случае изотропного пласта практически равен 1, вне зависимости от значений продольного удельного сопротивления среды. Это свойство заявляемого устройства позволяет осуществлять его калибровку внутри скважины, при прохождении интервала изотропных пластов.
Устройство поясняется чертежами, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид конструктивной схемы технического решения (вид по направлению, перпендикулярному секущей плоскости).
Фиг. 2 - зависимость параметра кажущейся анизотропии от длины зонда при различных значениях коэффициента анизотропии. Приемные М, N и токовые А, В кнопочные электроды устройства расположены на бесконечно длинном непроводящем корпусе радиусом d=0.03 м, помещенном в двухслойную цилиндрически-слоистую анизотропную среду с параметрами ρс=2 Ом м, а=0.108 м, ρt=3.2 Ом м. Шифр кривых - истинное значение параметра электрической анизотропии пласта.
Фиг. 3 экспериментальные диаграммы макета заявляемого устройства, полученные на физической модели «скважина бак с электролитом воздух»
Пример осуществления полезной модели
MN
MN
k,
Работа с устройством выполняется следующим образом. С помощью генератора сигналов (условно не показан) в цепи электродов АВ пропускают постоянный ток I и, тем самым, создают в окружающей устройство среде электрическое поле. С помощью блока измерительной аппаратуры (условно не показан) измеряют разность потенциалов ΔU приемных электродов М и N. Значения I и ΔU подают на вход операционного усилителя (условно не показан), который на выходе формирует величину Λ равную коэффициенту анизотропии среды.
Предлагаемое устройство практически реализуемо, поскольку, как следует из (2), в рассмотренной модели величина сигнала гальванического зонда длиной 1 м оценивается приемлемым, с точки зрения метрологии, значением ~ 0.001 В при токе I=1 А.
Было выполнено физическое моделирование работы устройства. Физическая модель находится в помещении и устроена следующим образом (Фиг. 3). В центральной части бака объемом 3.75×3.75×2.53 куб. м. пробурена сквозная скважина диаметром 0.13 м и глубиной 4 м. Дно и стенки бака покрыты слоем бетона толщиной 0.2 м. Поверх бетона нанесен слой гидроизоляции, выполненный из гудрона. На дне бака у устья скважины выложена бетонная воронка. Скважина и бак заполнены электролитом. Толщина слоя электролита в баке - 1.94 м.
Перед каждым экспериментом весь объем жидкости в течение 1 часа тщательно перемешивался с помощью погружного насоса. В процессе эксперимента удельное сопротивление электролита выдерживалось равным 1 Ом⋅м, погрешностью менее 1.5%.
При создании макета зонда в качестве непроводящего корпуса использовался отрезок трубы из стеклопластика диаметром 0.077 м и длиной 2 м. На расстоянии 0.6 м от края трубы размещались кнопочные токовые электроды диаметром 0.01 м. На расстояниях 0.1, 0.2, 0.4 м от генераторного устройства были смонтированы пары измерительных электродов. Длины зондов и размер корпуса зонда были выбраны, исходя из условий применимости модели бесконечно длинной непроводящей основы зонда.
Для измерения сигнала датчика использовался поверенный комплект электроразведочной аппаратуры АНЧ - 3 (рабочая частота 4.88 Гц). Паспортная погрешность измерения составляет 3-5%. Перед началом измерений зонд устанавливался на дно скважины. При помощи лебедки конструкция перемещалась вверх на расстояние 0.1 м. После паузы в 10 секунд производились измерения. Измеренные сигналы нормированы на теоретические сигналы зонда в однородной среде с сопротивлением 1 Ом⋅м. Результаты представлены на Фиг. 3 в виде диаграмм нормированных сигналов зондов различной длины в зависимости от координаты z приемника датчика (сплошные линии).
На участке диаграмм z<0.4 м нормированный сигнал существенно отличается от единицы, что объясняется влиянием границы «электролит воздух». При z=0.9 м нормированный сигнал стремится к теоретическому пределу, равному единице и для зондов длиной 0.1, 0.2, 0.4 м равен 1.01, 1.05, 1.07 соответственно. Этот результат экспериментально подтверждает выводы, полученные в результате численного анализа, правильность выбора модельной базы и всех конструктивных решений. При дальнейшем продвижении зонда диаграммы отражают наличие бетонной стенки и воронки и далее выходят на значения, соответствующие модели «скважина - песчанистый суглинок».
Экспериментальные данные, соответствующих диапазону z=3.2-3.6 м, были инвертированы в рамках модели цилиндрически-слоистой модели «скважина - изотропный пласт». Наилучшее совпадение экспериментальных и теоретических данных для всех длин датчиков было достигнуто при значении сопротивления изотропного пласта ~106 Ом⋅м. Расчетные сигналы для этого случая представлены на Фиг 3 прерывистой линией.
Описанная выше лабораторная физическая модель используется для контроля измеряемых параметров комплектов аппаратуры ВИКИЗ, производимой научно-производственным предприятием геофизической аппаратуры «Луч»: http://www.looch.ru. Фазовый сдвиг, регистрируемый зондами ВИКИЗ на интервале грунта, составляет ~2 градуса, что соответствует сопротивлению песчанистого суглинка - 100 Ом⋅м.
Литература:
1. Андерсон Б., Барбер Т., Леверидж Р. и др. Трехмерный индукционный каротаж: старые измерения под новым углом. Нефтегазовое обозрение, том 19, номер 2, Schlumberger, 2008.
2. Эпов М.И., Каюров К.Н., Ельцов И.Н., Сухорукова К.В., Петров А.Н., Соболев А.Ю., Власов А.А. [2010] Новый аппаратурный комплекс геофизического каротажа СКЛ и программно-методические средства интерпретации EMF Pro. Бурение и нефть, 2, 16 19.
3. Эпов М.И., Еремин В.Н., Манштейн А.К., Петров А.Н., Глинских В.Н. Устройство для измерения удельной электропроводности и электрической макроанизотропии горных пород: Патент РФ. 2014. №2528276.
4. Сухорукова К.В. Определение электрофизических параметров терригенных отложений на основе совместной численной инверсии данных электрического и электромагнитного каротажа в вертикальных и наклонных скважинах. Диссертация, представленная на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых. Новосибирск, 2017.
5. Вержбицкий В.В. Зонды БКЗ в трехосной анизотропной среде // Геология и геофизика. 1993. №4. С.145-147.
6. Дашевский Ю.А. Изучение электрической анизотропии горных пород в скважинах методами стационарной геоэлектрики: Учеб. пособие / Новосибирский гос. ун-т. Новосибирск, 2008. 102 с. ISBN 978-5-94356-625-7.
7. Kunz К. S., Moran J. Н. Some effects of formation anisotropy on resistivity measurements in boreholes // Geophysics. - 1958. - Vol. 23, №4. - P. 770-794.
8. Кауркин М.Д. Лабораторное моделирование дипольных зондов каротажа сопротивлений и зондов электромагнитного каротажа с тороидальными антеннами. Диссертация, представленная на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 25.00.10 геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых. Москва, 2015.
9. Табаровский Л.А., Дашевский Ю.А. Способ электрического каротажа. Авторское свидетельство СССР №693314, 1979.