СПОСОБ ГЕОНАВИГАЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН В ПЛАСТАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
METHOD FOR GEOSTEERING HORIZONTAL AND DIRECTIONAL WELLS IN LOW-POWER FORMATIONS

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований наклонно-направленных скважин в процессе бурения и может быть использовано при проводке субгоризонтальных скважин в маломощных (до 2÷3 метров) пластах, продуктивных на углеводороды, для избегания неконтролируемого вскрытия подстилающих водоносных слоев подошвы коллектора или глинистой кровли.
Известен способ геонавигации горизонтальных скважин, включающий проведение высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования с измерением ряда амплитуд ЭДС и не менее пяти разностей фаз, выделение коллекторов и техногенных электрических неоднородностей (ВИКИЗ). По изменению разности фаз и значениям амплитуд экстремумов ЭДС судят о точности проводки скважины по пласту-коллектору [1]. Устройство для выполнения известного способа содержит пять индукционных геометрически подобных зондов, каждый из которых образован генераторной и приемной катушками, оси катушек соосны оси скважины. Способ пригоден для геонавигации наклонно-направленных скважин в продуктивных пластах большой (более 3 метров) мощности и неэффективен в пластах малой (менее 3 метров) мощности.
Известен способ геонавигации горизонтальных скважин, основанный на возбуждении импульсного электромагнитного поля с помощью электрического диполя, питаемого импульсным разнополярным током [2]. Измерение магнитных полей проводят в период паузы между импульсами тока индуктивными датчиками, ориентированными в трех ортогональных направлениях. По анализу кривых экстремальных значений амплитуд спада магнитных полей формируют команды на управление положением отклонителя бурильного инструмента. Измерительный модуль выполнен в виде немагнитной трубы с расположенными на концах питающими электродами. Индуктивные датчики расположены в теле трубы. Основным недостатком способа является применение в качестве источника питающего поля электрического диполя с системой гальванических электродов, питаемых импульсным током. Использование гальванических контактов в скважинах старого фонда не дает возможности добиться необходимой идентичности условий возбуждения в каждой точке наблюдения.
Известен способ индукционного каротажа скважин в процессе бурения, который может быть использован для целей геонавигации, который является прототипом предложенного способа [3]. Способ включает пропускание импульсов тока через генераторную катушку, регистрацию амплитуды напряжения ЭДС переходных процессов в измерительной катушке. Устройство индукционного каротажа содержит генераторную и измерительную катушки, размещенные соосно на немагнитной металлической трубе, встроенной в компоновку низа бурильной колонны, источник импульсного тока, соединенный с генераторной катушкой, измерительная катушка соединена с устройством обработки результатов.
Основным недостатком, сводящим к невозможности широкого практического применения способа-прототипа [3] является то, что для выполнения данного способа предложено устройство, смонтированное на немагнитном проводящем корпусе. Системы генераторных и приемных катушек-соленоидов связаны единым проводящим сердечником-трубой, физические свойства которой сильно зависят от внешних факторов (температура и др.). Это фактически приводит к определяющей зависимости системы регистрируемых амплитуд ЭДС от неконтролируемых внешних факторов (проводимость скважинного флюида и проводимость металла несущей бурильной трубы) и соответственно - к невозможности получения в реальных скважинных условиях идентичных повторяемых результатов. Особенно влияние мешающих факторов на параметр амплитуды ЭДС усиливается в случаях бурения на соленых (проводящих) растворах. Экранировать катушки от сердечника, соединяющего приемную и генераторную катушки, практически невозможно, следовательно, при этом резко повышается уровень неконтролируемых помех при измерении. Проведение измерений амплитуды ЭДС в диапазоне 0,1-200 мкс с устранением посредством фильтрации сигнала в диапазоне свыше 30 мкс, как предложено в патенте [3], не позволяет сколько-нибудь устранить помехи, обусловленные внешними факторами и прямым влиянием поля генераторной катушки на значения амплитуды ЭДС на приемной катушке через эффективный сердечник и соизмеримые с полезным сигналом или, как правило, существенно превышающие его.
Цель предлагаемого решения - повышение точности геонавигации стволов наклонно-направленных скважин в пластах коллекторов малой мощности путем использования импульсного возбуждения электромагнитного поля и регистрации временных характеристик переходных процессов электромагнитного поля, обеспечивающих повышенную точность измерений и снижения зависимости от внешних неконтролируемых помех.
Способ геонавигации горизонтальных и наклонно-направленных скважин в пластах малой мощности включает определение расстояния до границы с вмещающими породами, обладающими контрастными свойствами по удельному электрическому сопротивлению по отношению к пласту, путем пропускания импульсов тока в генераторной катушке и регистрацию временных характеристик положения экстремумов спада ЭДС электромагнитного поля в приемной катушке.
extr
Предлагаемый способ отличается тем, что определение расстояния до границы с вмещающими породами проводят на основании анализа не амплитуды ЭДС, а значений времени экстремума спада ЭДС t в приемной катушке, находящейся на расстоянии L от генераторной катушки (фиг. 1) [4, 5].
Известно [6], что при импульсном режиме возбуждения и регистрации ЭДС спада с соосными генераторной и измерительной катушками малых радиусов, по сравнению с разносом L, положение экстремума ЭДС на оси времени t в однородной среде определяется только величинами разноса и удельным электрическим сопротивлением среды ρ (фиг. 1):
0
0
2
t=μL/10/ρ, где μ - магнитная постоянная.
z
В неоднородных проводящих горных породах, в условиях дополнительного влияния сопротивления бурового раствора и проводящей буровой колонны, зависимость величины экстремума ЭДС более сложная [6] и численно определяется с помощью синус-преобразования Фурье от спектральной характеристики мнимой квадратуры осевой составляющей магнитной индукции ImB:
и
2
-1
где: S - эффективная площадь измерительной катушки, м; t - время, с; ω - круговая частота, сек.
Влияние на величину ЭДС сопротивления бурового раствора и сопротивления металла несущей бурильной колонны можно считать постоянными в течение проходки скважины и амплитуда напряжения ЭДС будет определяться сопротивлением пород нефтяного коллектора, по которому проводится ствол направленной скважины (фиг. 2) [6].
Известно, что удельное электрическое сопротивление определяется генезисом пород коллектора. К примеру, коллектор терригенного типа является низкоомным, а коллектор, сложенный преимущественно карбонатными породами, как правило, высокоомный [7].
Для основных нефтенасыщенных маломощных коллекторов (водонасыщенная подошва, глинистая кровля) сопротивление пород распределяется следующим образом (к примеру): сопротивление глинистой кровли 3,5÷6 Ом⋅м, для газонасыщенной кровли до 50 Ом⋅м, сопротивление пород коллектора 12÷20 Ом⋅м, сопротивление пород водонасыщенной подошвы 25÷40 Ом⋅м [7]. Фактически породы нефтенасыщенного коллектора являются контрастной зоной по значениям удельного электрического сопротивления. Исследуемый диапазон значений удельных электрических сопротивлений пород составляет от 3 до 200 Ом⋅м (фиг. 2), что позволяет фиксировать геометрическое положение ствола скважины относительно системы подошва - коллектор - кровля при условии, что петрофизические свойства пород залежи и вмещающих отложений известны заранее.
Значения величин удельных электрических сопротивлений пород, слагающих разрез, полагаются известными по данным электрических методов каротажа поисково-разведочных скважин на данном участке и лабораторных исследований извлекаемого при бурении керна.
На фиг. 3 представлены материалы, поясняющие принцип реализации предлагаемого технического решения.
Для определения расстояния до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями используется установки из соосных генераторной и измерительной катушек, расположенных на расстоянии L друг от друга (разнос). Ось установки первоначально параллельна границе сред с различными удельными электрическими сопротивлениями. Расстояние между осью установки и границей сред составляет величину h.
extr
На фиг. 3 приведена палетка определения расстояния h до границы сред по величине времени t экстремума ЭДС спада электромагнитного поля при контрастности удельных электрических сопротивлений сред, к примеру, в 4 раза.
extr
р
р
2
Для уменьшения числа параметров, необходимых для определения расстояния до границы, на фиг. 3 время f приведено к величине L разноса установки и обозначено как приведенное время Т, а расстояние h приведено к разносу установки L. Полученная зависимость Т обусловлена различными удельными электрическими сопротивлениями пород и расстоянием от установки до границы сред h. Как видно из фиг. 3 предлагаемый способ позволяет определять расстояние до границы сред с различными удельными электрическими сопротивлениями горных пород по времени экстремальных значений величин ЭДС спада электромагнитного поля.
Методика процесса геонавигации наклонно-направленных скважин на основе предложенного способа сводится к мониторингу величин расстояний до границы с вмещающими породами, обладающими контрастными свойствами по отношению к пласту по значениям времени экстремумов спада ЭДС в приемной катушке при пропускании импульсов тока через генераторную катушку в двух точках на оси скважины, отстоящих друг от друга, к примеру, на расстояние не менее 1 метра, определении двух различных расстояний до границы контрастных сред, и сохранении направления бурения при получении близких значений расстояний или изменении направления бурения при получении отличающихся друг от друга расстояний, причем направление бурения меняют в зависимости от знака разности расстояний.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в повышении точности определения расстояний от бурящейся в нефтяном коллекторе скважины и вмещающих пород кровли или подошвы пласта.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом. Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств.
Источники, использованные при составлении заявки:
1. Антонов Ю.Н., Эпов М.И., Глебочева Н.К., Медведев Н.Я., Ихсеанов Р.К. Способ геонавигации горизонтальных скважин. Патент РФ №2230343. 10.08.2003. Бюл. №22.
2. Теплухин В.К. Способ геонавигации горизонтальных скважин и устройство для его реализации. Патент РФ №2395823. 27.07.2010. Бюл. №21.
3. Потапов А.П., Судничников В.Г., Чупров В.П., Бельков А.В., Судничников А.В. Способ индукционного каротажа скважин в процессе бурения. Патент РФ №2466431. 10.11.2012. Бюл. №31.
4. Ратушняк А.Н., Байдиков СВ., Теплухин В.К. Индукционный каротаж скважин в процессе бурения // Изв. вузов. Горный журнал. 2017. №3. С. 93-102.
5. Теплухин В.К., Ратушняк А.Н., Костицын В.И., Ван Сяолун. Разработка технологии индукционного каротажа в нестационарном режиме при бурении субгоризонтальных участков стволов нефтяных и газовых скважин. // Вестник Пермского университета. Геология. 2017. Том 16, №2. С. 122-129.
6. Ратушняк А.Н., Теплухин В.К. Теоретические и экспериментальные основы индукционных методов исследований скважин. Екатеринбург: УрО РАН, 2017. - 127 с. ISBN 978-5-7691-2479-2.
7. Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ. Методическое руководство // Ред. Эпов М.И., Антонов Ю.Н. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, Изд. СО РАН, 2000, 121 с.