Скважинный многочастотный интроскоп для исследования околоскважинного пространства
DOWNHOLE MULTIFREQUENCY INTROSCOPE FOR INVESTIGATION OF NEAR-BOREHOLE SPACE

Область техники
Настоящее изобретение относится к средствам геофизических исследований околоскважинного пространства, в частности, к устройству электромагнитного каротажа 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 устройства и измерительные комплексы, предназначенные для электромагнитного и, в частности, диэлектрического каротажа скважины. Среди них наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются следующие.
Известно устройство для диэлектрического индуктивного каротажа, раскрытое в описании к АС СССР № 212387 (опубл. 28.05.1969). Известное устройство состоит из генераторной части и приемной части. Генератор представляет собой двухкаскадный передатчик, состоящий из окварцеванного задающего генератора и усилителя мощности. Выход генератора нагружен на генераторную катушку. Приемная часть устройства двухканальная, имеет две разнесенные приемные рамки, резонансные усилители и высокой частоты, смесительные каскады и преобразования частоты, общий гетеродин, усилители и промежуточной частоты, фазоизмерительный блок и регистрирующее устройство.
Известна аппаратура электромагнитного каротажа, раскрытая в описании к АС СССР № 374565 (опубл. 20.03.1973). Известная аппаратура содержит генератор, устройство синхронизированной коммутации, содержащее генераторный коммутационный и приемный коммутационный блоки, два излучатели, приемник, устройство для преобразования, каротажный кабель, три регистратора, устройство для обработки информации.
Известно устройство электромагнитного каротажа, раскрытое в описании к АС СССР № 1469490 (опубл. 30.03.1989). Известное устройство содержит генераторный блок, зонд, приемно-преобразующую часть, измерительно-телеметрическую часть и наземную часть. Генераторный блок включает в себя задающий генератор двух частот и два усилителя мощности. Два трехэлементных зонда состоят из генераторных катушек и двух приемных катушек. Приемно-преобразующая часть содержит генератор-гетеродин, смесители-мультиплексоры, ограничители. В измерительно-телеметрическую часть входят блок управления, формирователь разности фаз и периода, измеритель разности фаз, измеритель периода промежуточной частоты, мультиплексор, передатчик и линия связи. Наземная часть содержит приемник, регистр-указатель измеряемых величин, регистр фазового сдвига, регистр периода измерения, делитель, преобразователь фазового сдвига, цифроаналоговые преобразователи.
Представленные выше технические решения используют зонды, состоящие из генераторных антенн, возбуждающих в окружающих породах высокочастотное гармоническое электромагнитное поле и измерительных антенн, позволяющих регистрировать амплитуду и фазу сигнала, прошедшего через породы. Ограничением существующих устройств 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.
К основным недостаткам таких устройств 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 указанных устройств 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 скважинным многочастотным интроскопом для исследования околоскважинного пространства, включает наземную часть, состоящую из вычислительного модуля и связанного с ним ретранслятора, и связанную с ретранслятором посредством каротажного кабеля скважинную часть, состоящую из расположенных по одной оси оптико-электрического преобразователя каротажного кабеля, скважинного излучателя и верхнего и нижнего скважинных приемников, при этом:
скважинный излучатель снабжен электрической антенной, которая выполнена с возможностью излучения в околоскважинное пространство гармонических радиосигналов последовательно на нескольких частотах, выбранных из частотного диапазона от 1 до 50 МГц в соответствии с программой излучения, принимаемой скважинным излучателем от наземной части, и регистрации значений амплитуды тока и комплексного сопротивления на входе своей антенны при каждом излучении радиосигнала и передачи измеренных значений в цифровой форме в наземную часть;
верхний и нижний скважинный приемники удалены от скважинного излучателя на два фиксированных расстояния и снабжены электрическими антеннами, выполненными с возможностью приема радиосигналов, прошедших через горные породы, залегающие в околоскважинном пространстве, при этом упомянутые скважинные приемники выполнены с возможностью регистрации значений амплитуды осевой компоненты электрического поля принятого радиосигнала и разности фаз измеренного поля между антеннами приемников и передачи этих значений в цифровой форме в наземную часть;
вычислительный модуль выполнен с возможностью формирования программы излучения для ее передачи в скважинный излучатель, приема от них значений зарегистрированных величин в цифровой форме через ретранслятор, вычисления на основе этих величин электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости пород, залегающих в около скважинном пространстве;
ретранслятор выполнен с возможностью согласования вычислительного модуля с каротажным кабелем.
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.
В интроскопе в соответствии с настоящим изобретением применены специальные конструкции скважинных излучателя и приемников, которые позволяют проводить измерения высокочастотного электрического поля с помощью электрических антенн, свободных от влияния антенного эффекта. Каждое из упомянутых устройств скважинной части размещено в диэлектрическом корпусе, в котором размещаются однотипные двухплечевые излучающие или приемные электрические антенны, причем, каждая из антенн содержит электронную схему, работающую от автономного источника питания и размещенную в теле антенны, а обмен данными и командами между скважинными излучателем, приемниками и наземной частью обеспечен оптическими каналами с оптико-электрическими преобразователями.
Отличием от известных устройств диэлектрического каротажа и основными преимуществами заявленного интроскопа являются следующие свойства:
– 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.
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 функциональная схема скважинного излучателя;
– на фиг.3 представлена функциональная схема скважинного приемника;
– на фиг.4 представлена функциональная схема ретранслятора;
– на фиг.5 представлен фрагмент графического пользовательского интерфейса программного обеспечения вычислительного модуля.
Осуществление изобретения
Интроскоп в соответствии с настоящим изобретением может быть использован 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.
эфф
эфф
Интроскоп предназначен для измерения в скважине амплитуды и фазы осевой компоненты электрического поля, возбуждаемого в диапазоне гармонических частот 1-50 МГц. Основными параметрами, получаемыми на выходе вычислительного модуля интроскопа, являются эффективное электрическое сопротивление (ρ) и эффективная диэлектрическая проницаемость (ɛ) горных пород, вычисляемые на конкретной частоте излучаемого скважинным излучателем электромагнитного поля.
В соответствии с фиг.1, заявленный интроскоп конструктивно 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, 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. В одном частном случае, скважинная часть может быть выполнена с возможностью перемещения 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, скважинная часть может быть выполнена с возможностью перемещения 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 последующего интерпретирования количестве.
Наземная часть связана со скважинной частью через каротажный кабель 108 и состоит из связанных ретранслятора 106 и вычислительного модуля 107.
Скважинный излучатель 102, в соответствии с фиг.2, состоит из последовательно связанных антенны 201, блока измерения параметров излучения 202, усилителя мощности 203, синтезатора частоты 204 и процессора 205. При этом процессор 205 дополнительно связан с усилителем мощности 203, с блоком измерения параметров излучения 202, через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 206, а также с блоком управления питанием и оптико-электрических преобразователей 207, к которому подключены оптоволоконные линии связи 109 и 110.
Блок управления питанием и оптико-электрических преобразователей 207 по команде, полученной от вычислительного модуля 107 через оптоволоконную линию связи 109 может переводить скважинный излучатель 102 в «спящий» режим с микропотреблением и обратно в «рабочий» режим. В рабочем режиме блок управления питанием и оптико-электрических преобразователей 207 передает команды, получаемые для данного прибора от оптоволоконной линии связи 109 в процессор 205, остальные команды ретранслирует на оптоволоконную линию связи 110. По команде, полученной процессором 205 от вычислительного модуля 107 синтезатор частоты 204 начинает последовательно генерировать гармонические колебания на частотах из диапазона 1 – 50 МГц в соответствии с заданной программой. Этот сигнал усиливается усилителем мощности 203, через блок измерения параметров излучения 202 поступает на антенну 201 и излучается в околоскважинное пространство. На блоке измерения параметров излучения 202 регистрируется напряжение на антенне 201 и ее комплексное сопротивление. Эти данные поступают через АЦП 206, в процессор 205 и через блок управления питанием и оптико-электрических преобразователей 207 и оптоволокно 1 в вычислительный модуль 107.
Верхний скважинный приемник 103, в соответствии с фиг.3, состоит из последовательно связанных антенны 301, усилителя радиочастоты 302, смесителя 303, усилителя промежуточной частоты 304, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 305, процессора 306. При этом процессор 306 дополнительно связан с синтезатором частоты 307, который связан со смесителем 303. Процессор 306 так же связан с блоком управления питанием и оптико-электрических преобразователей 308, к которому подключены оптоволоконные линии связи 110 и 111.
Блок управления питанием и оптико-электрических преобразователей 308 работает аналогично блоку управления питанием и оптико-электрических преобразователей 207 скважинного излучателя 102. Электромагнитное поле, прошедшее от скважинного излучателя 101 через породы, преобразуется в антенне 301 в электрический сигнал. Этот сигнал, через усилитель радиочастоты 302, поступает на смеситель 303. Сюда же поступает сигнал от синтезатора частот 307. Частоту сигнала определяет процессор обработки данных 306. Смешиваясь, сигналы преобразуются в сигнал промежуточной частоты, амплитуда которого пропорциональна величине сигнала, поступающего с антенны 301. Этот сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты 304 и далее на АЦП 305. Оцифрованный сигнал передается в процессор 306. Процессор 306 формирует набор данных для передачи в вычислительный модуль 107 через блок управления питанием и оптико-электрические преобразователи 308.
Нижний скважинный приемник 104 аналогичен верхнему скважинному приемнику 103, за исключением того, что вместо оптоволоконной лини связи 110 к нему подключена оптоволоконная линия связи 111.
Ретранслятор 106, в соответствии с фиг.4, состоит из последовательно связанных блока согласования 402, процессора 403 и цифрового интерфейса 404, при этом процессор 403 дополнительно связан с генератором тока 405. Блок согласования 402 и генератор тока 405 связан с коллектором 401 каротажного подъемника 105. Цифровой интерфейс 404 может быть представлен USB или Wi-Fi и предназначен для обеспечения обмена данными между ретранслятором 106 и вычислительным модулем 107.
Процессор 403 через блок согласования 402 обеспечивает прием или передачу данных, переданных по цифровому интерфейсу 404 из вычислительного модуля 107, на коллектор 401 каротажного подъемника 105 и далее через каротажный кабель 108 на оптико-электрический преобразователь 101. Также процессор обеспечивает работу генератора тока 405, необходимого для питания оптико-электрического преобразователя 101 в соответствии с электрическими характеристиками каротажного кабеля 108. Питание ретранслятора 106 осуществляется от сети 220В через блок питания 406.
Вычислительный модуль 107 выполнен с возможностью передачи команд на скважинный излучатель 102, приемники 103 и 104, приема от них параметров, характеризующих распространение электрического поля высокой частоты в околоскважинном пространстве, вычисления на основе таких параметров эффективных значений электросопротивления и диэлектрической проницаемости горных пород в около скважинном пространстве для конкретной частоты излучаемого скважинным излучателем 102 электромагнитного поля.
Исследование околоскважинного пространства с использованием заявленного интроскопа осуществляется следующим образом. Скважинную часть перемещают вдоль интервала исследования ствола скважины. При этом каждой глубине соответствует набор измерений фазы и амплитуды сигнала, пропорционального напряженности электромагнитного полю, возбужденному скважинным излучателем и прошедшего через породы в околоскважинном пространстве, а также ток на входе антенны излучателя и комплексное сопротивление антенны на этой частоте. Измерения проводят на нескольких частотах в наиболее информативном диапазоне от 1,25 до 50 МГц. Конкретные частоты в количестве от 2 до 50 задаются при подготовке прибора к измерениям. Вся установка перемещается в скважине с заданным шагом с помощью каротажного кабеля 108.
Интерпретация проводится итерационно методом подбора путем сравнения измеренного поля с расчетным. Подбор осуществляется на всех измеренных частотах одновременно путем минимизации функционала.
Совокупность измерений на выходе каждого из скважинных приемников 103 и 104 может быть визуализирована в виде диаграмм «частотных спектров» (501), как это представлено на фиг.5. По вертикальной оси отложена глубина, по горизонтальной – рабочие частоты, а цветом дана интенсивность измеренного параметра поля.
эфф
эфф
Оценку влияния зоны проникновения проводится путем сопоставления значений ρи ɛ, вычисленных по измерениям на малом и большом разносах установки.
эфф
эфф
На фиг.5 представлен графический пользовательский интерфейс программного обеспечения вычислительного модуля 107. В левой части представлен частотный спектр поля In(Ez) 501. В окне 502 представлена визуализация выведенной экспериментальной частотной зависимости поля на конкретной глубине. Поля 503 и 504 соответствуют выводу интерпретационных параметров: расчетные значения эффективной диэлектрической проницаемости ɛ, эффективного электрического сопротивления пород ρ и коэффициентов частотной дисперсии 505 и 506, соответствующие подобранной теоретической кривой.
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 водонасыщения Кв (или нефтенасыщения (Кн=1-Кв).