Патент на изобретение №2190243

(54) СПОСОБ БОКОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины, вызванного проникновением бурового раствора в пласт. В способе бокового электрического зондирования используют в качестве фокусирующего элемента металлический корпус скважинного прибора, который также выполняет роль стабилизатора величины осевого сопротивления скважины и выполнен из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением или из стальных секций, соединенных между собой в единую электрическую цепь перемычками из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением в местах подключения к этому корпусу измерительных и токовых электродов. Внутри корпуса размещают необходимый набор зондов второй разности, каждый из которых состоит из измерительного датчика второй разности и дипольного источника. К корпусу через каждый из токовых диполей поочередно подают электрический ток. При каждой из подач тока в тот или иной токовый диполь измеряют вторую разность потенциалов электрического поля на участке скважинного корпуса между тремя измерительными электродами измерительного датчика второй разности и потенциал корпуса в точке контакта с ним среднего измерительного электрода измерительного датчика. Удельное электрическое сопротивление для каждого зонда определяют по соответствующей формуле. Технический результат: повышение точности определения удельного сопротивления. 7 ил.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины, вызванного проникновением бурового раствора в пласт, что в результате позволяет дать прогноз о проницаемости породы.

Известен способ определения удельного сопротивления окружающих скважину пластов горных пород и его изменения, вызванного проникновением бурового раствора, названный способом бокового каротажного зондирования (БКЗ) (В.П. Дахнов. Промысловая геофизика. Гостоптехиздат. М. 1959 г., стр. 408-410) [1] , который использован в качестве аналога.

Сущность БКЗ сводится к измерению в скважине серии кривых кажущегося сопротивления с различными (все возрастающими) размерами потенциал- или градиент-зондов и последующему построению для каждого из пластов исследуемого разреза кривых зависимости кажущегося удельного сопротивления от размера зонда.

Недостатком БКЗ потенциал- и градиент-зондами является то, что результаты измерений этими зондами значительно подвержены искажающему влиянию скважины и вмещающих пород.

Наиболее близким к изобретению является способ дивергентного каротажа, включающий измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи осевого однополюсного зонда второй разности, конструктивно выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов и одного, расположенного выше на заданном расстоянии от них, токового электрода (Альпин Л. М. Дивергентный каротаж. Прикладная геофизика. М. Гостоптехиздат. 1969 г. Вып. 32. стр.192-212 – прототип) [2].

Способ, по идее его автора, позволяет определять отношение электрического сопротивления окружающих скважину пород к электрическому сопротивлению заполняющего скважину бурового раствора через отношение потенциала электрического поля в точке измерения ко второй разности потенциалов в данной точке при возбуждении электрического поля исследуемой среды одним однополюсным источником тока. На результаты измерения зондами этого способа при больших значениях отношения сопротивления окружающих скважину пород к сопротивлению самой скважины практически не оказывают искажающего влияния вмещающие породы. Поэтому набор зондов дивергентного каротажа является привлекательным для бокового электрического зондирования с целью изучения изменения электрического сопротивления исследуемых пластов в радиальном относительно оси скважины направлении.

Недостатком известного способа – прототипа является то, что в измеряемом параметре присутствует электрическое сопротивление скважины, которое непостоянно из-за изменения диаметра скважины (каверны), минерализации и температуры бурового раствора, заполняющего скважину. Кроме того, искажающее влияние вмещающих пород на результаты измерения зондами дивергентного каротажа исчезает только при больших отношениях удельного электрического сопротивления окружающих скважину пластов к сопротивлению самой скважины, что в реальных условиях существует редко. Поэтому непосредственное применение зондов дивергентного каротажа приводит к погрешностям при определении удельного электрического сопротивления в скважинах с кавернами, когда сопротивление этих скважин непостоянно.

В предложенном способе решается задача повышения точности определения истинного удельного сопротивления окружающих скважину пластов и его изменения в радиальном направлении относительно оси скважины за счет подавления влияния вмещающих пород и искажающего влияния скважины.

Задача решается тем, что в способе бокового электрического зондирования, включающем подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи разноразмерных многоэлектродных зондов, состоящих из измерительных и токовых электродов, согласно изобретению, зонды расположены в скважинном каротажном корпусе, выполненном из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением или из стальных секций, соединенных между собой в единую электрическую цепь перемычками из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением в местах подключения к этому корпусу измерительных и токовых электродов, причем измерительный датчик второй разности с тремя эквидистантными электродами подключают к внутренней боковой поверхности скважинного каротажного корпуса на заданных расстояниях от центра этого датчика, к внутренней боковой поверхности корпуса скважинного каротажного корпуса подключают n токовых диполей, в каждый из которых поочередно подают электрический ток, при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего электрода измерительного датчика с корпусом и вторую разность потенциалов и определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород по формуле:

где U_N(I_AiBi) – потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода датчика второй разности, соответственно, при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iВ_i;
²U(I_AiBi) – вторая разность потенциалов при очередной подаче тока в i-й токовый диполь A_iB_i;
R(M₁M₂) – заранее определенное погонное электрическое сопротивление участка скважинного корпуса между крайними измерительными электродами M₁M₂ измерительного датчика второй разности;
I_AiBi – ток, подаваемый к скважинному корпусу через i-й токовый диполь А_iВ_i;
i – порядковый номер зонда соответствующего размера, где i=l,2,…,n;
n – максимальное количество зондов;
k_i – геометрический коэффициент i-го зонда.

Сущность изобретения
На фиг. 1 дана схема скважинного устройства, позволяющего реализовать боковое электрическое зондирование с существенно меньшим влиянием на результаты зондирования вмещающих пород и скважины по сравнению с БКЗ потенциал- или градиент-зондами. Здесь 1 – скважина; 2 – окружающие скважину пласты горных пород; 3 – металлический корпус скважинного прибора, состоящий из сплава с термостабильным электрическим сопротивлением; 4 – контактирующий с внутренней поверхностью скважинного корпуса в его нижней части средний измерительный электрод N датчика второй разности; 5 и 6 – симметрично расположенные относительно среднего остальные два измерительных электрода М₁ и М₂ датчика второй разности; 7 и 8 – токовые электроды A₁ и B₁ токового диполя A₁B₁ первого бокового электрического зонда A₁B₁-M₁NM₂, наименьшего размера; 9 и 10 – токовые электроды A_i и В_i токового диполя A_iB_i i-го бокового электрического зонда A₁B₁-M₁NM₂, имеющего один из i-тых промежуточных размеров; 11 и 12 – токовые электроды A_n и B_n токового диполя A_nB_n последнего n-го бокового электрического зонда A_nB_n – M₁NM₂ максимального размера.

На фиг. 2 дана блок-схема скважинного корпуса, составленного из набора стальных секций, одна из которых обозначена под 13, и перемычек из металла с термостабильным электрическим сопротивлением, одна из которых обозначена под 14.

На фиг. 3 дана блок-схема скважинного корпуса с металлической пластиной 15, выполненной в виде прямоугольного полуцилиндрического щита и к которой с внутренней ее поверхности подключены m измерительных датчиков второй разности, электроды M₁NM₂ последнего из которых m-го датчика обозначены под 16-N, 17-M₁ и 18-М₂.

На фиг.4 дан пример электрического зондирования на первой математической модели разреза пятью зондами второй разности с размерами 0,25 м, 0,5 м, 1,0 м, 2,0 м и 3,0 м.

На фиг.5 дан пример электрического зондирования на второй математической модели разреза пятью зондами второй разности с теми же размерами, что и на фиг.4.

На фиг. 6 дан пример электрического зондирования на третьей математической модели разреза пятью зондами второй разности с теми же размерами, что и на фиг.4.

На фиг. 7 дан пример электрического зондирования на четвертой математической модели разреза пятью зондами второй разности с теми же размерами, что и на фиг.4.

На фиг.4-7 по оси абсцисс отложена глубина Z в метрах, а по оси ординат – электрические сопротивления _Пi в Ом-м.

Рассмотрим принцип бокового электрического зондирования с целью изучения изменения удельного электрического сопротивления пластов горных пород в радиальном направлении относительно оси скважины, на результаты измерений которого скважина и вмещающие породы влияют существенно меньше, чем на результаты БКЗ потенциал- или градиент-зондами. Для этой цели используются зонды дивергентного каротажа [2] различных размеров. Но дивергентный каротаж в том виде, в котором он описан в [2], несовершенен, так как подвержен искажающему влиянию скважины из-за ее непостоянного вдоль оси электрического сопротивления и из-за вмещающих пород, если отношение электрического сопротивления пласта к сопротивлению скважины невелико.

Первым необходимым требованием для дивергентного каротажа, при котором он дает наилучший эффект, является высокая проводимость ствола скважины, когда вектор плотности тока имеет внутри скважины почти осевое, т.е. параллельное оси скважины направление, близкое к радиальному. При таком распределении тока скважину можно рассматривать как фокусирующий электрическое поле в ее радиальном направлении инструмент.

Вторым необходимым требованием для дивергентного каротажа является стабильность осевого электрического сопротивления скважины, так как это сопротивление входит в качестве множителя в измеряемый этим способом параметр.

Оба эти требования выполняются, если зонды дивергентного каротажа замкнуты изнутри на скважинный каротажный корпус, выполненный из сплава с термостабильным электрическим сопротивлением, например из манганина с температурным коэффициентом изменения электрического сопротивления, равным 10^-6 град^-1, или из константана с температурным коэффициентом изменения электрического сопротивления, равным 210^-6 град^-1. Неприемлемым является использование корпуса в качестве фокусирующего элемента из металла с низким температурным коэффициентом изменения электрического сопротивления, например, из стали, температурный коэффициент изменения электрического сопротивления которой равен 6,210^-3 град^-1. Это связано с тем, что перепад температур в каротируемом стволе скважины может изменяться от ее устья до забоя на 100^oС и более, а последнее означает, что предназначенное для выполнения роли эталонного погонное сопротивления стального корпуса может изменяться от устья к забою на недопустимую для требуемой точности измерения удельного сопротивления величину, которая может достигать значений 62% при изменении температуры каротируемого интервала ствола скважины на 100^oС. Тем не менее, корпус скважинного прибора можно выполнить из дешевых составных стальных секций, в котором промежутки между этими секциями в местах подключения обоих приемных диполей датчика второй разности и токовых диполей, замкнуть перемычками из сплава с термостабильным коэффициентом электрического сопротивления. Скважинный корпус такой конструкции выполняет оба необходимые требования дивергентного каротажа, т.е. обладает низким электрическим сопротивлением, что обеспечивает исключающую искажающее влияние вмещающих пород фокусировку электрического поля по нормали к стенке скважины и высокой стабильностью этого сопротивления в местах подключения измерительных и токовых диполей зондов, что обеспечивает точность измерения удельного электрического сопротивления соответствующих зон пласта каждым из зондов заданного размера бокового электрического зондирования.

Удельное электрическое сопротивление i-той зоны пласта определяют по формуле:

где U_N(I_AiBi) – потенциал электрического поля скважинного корпуса в точке контакта среднего измерительного электрода датчика второй разности, соответственно, при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iВ_i;
²U(I_AiBi) – вторая разность потенциалов электрического поля на участке скважинного корпуса между контактами всех трех измерительных электродов датчика второй разности, соответственно, при очередной подаче тока в i-й токовый диполь A_iB_i;
R(M₁M₂) – заранее определенное погонное электрическое сопротивление участка скважинного корпуса между крайними измерительными электродами M₁M₂ измерительного датчика второй разности;
I_AiBi – ток, подаваемый к скважинному корпусу через i-й токовый диполь A_iB_i;
i – порядковый номер зонда соответствующего размера, где i=1, 2,…, n;
n – максимальное количество зондов;
k_i – геометрический коэффициент i-го зонда.

Как следствие из способа электрического зондирования вытекает получение на основе электрического сопротивления изображений прискважинной части пластов горных пород на различных расстояниях от стенки скважины в зависимости от возбуждения среды зондами тех или иных размеров, если вместо одного датчика второй разности на прилегающей к центру скважины пластине, составляющей единое целое с корпусом скважинного прибора, разместить m датчиков второй разности, где m – количество датчиков, необходимое для получения изображения с заданной разрешающей способностью.

Прямоугольный полуцилиндрический щит может быть выполнен из смонтированной на герметизирующей подложке металлической сетки с термостабильным электрическим сопротивлением, которая обоими концами всех своих нитей соединена с корпусом скважинного прибора и составляет с ним единую электрическую цепь, а вместе с подложкой – единую механическую конструкцию, и к внутренней поверхности сетки к каждому ее узлу подключают посредством пайки или сварки измерительные электроды всех m датчиков второй разности.

Пример конкретного выполнения
На фиг. 1 представлена схема аппаратуры по предложенному способу. На схеме показана скважина 1 в поперечном разрезе, которую окружает пласт горных пород 2. Скважинный прибор 3 находится в скважине. Внутри металлического корпуса скважинного прибора, выполненного из сплава с термостабильным электрическим сопротивлением, находится необходимое для бокового электрического зондирования количество дипольных зондов второй разности, каждый из которых состоит из общего для всех зондов измерительного датчика второй разности и своего токового диполя. Измерительный датчик второй разности состоит из трех измерительных электродов (N-4, M₁-5 и М₂-6) для измерения второй разности потенциалов ²U_M1NM2 на участке корпуса между крайними измерительными электродами М₁ и М₂ и потенциала U_n в точке касания к корпусу среднего измерительного электрода N.

Каждый из зондов бокового электрического зондирования питается поочередно от общего источника тока через свой токовый диполь, например, через A₁-7, B₁-8 первого зонда наименьшего размера. В корпусе скважинного прибора размещено n токовых диполей, где n может принимать различные значения, но, как правило, вполне достаточно три-четыре. При каждой из подач тока в тот или иной токовый диполь измеряют поочередно вторую разность потенциалов электрического поля измерительного датчика второй разности и потенциал среднего измерительного электрода N этого датчика. В качестве параметра каждого из n зондов бокового электрического зондирования (БЭЗ) используют удельное электрическое сопротивление окружающих скважинный корпус пластов горных пород, которое для i-той зоны пласта определяют по формуле:

Полученные значения удельных сопротивлений _пi для i-тых зон обрабатывают при помощи палеток бокового электрического зондирования или решают обратную задачу при помощи компьютера по разработанной для БЭЗ программе. После обработки данных БЭЗ получают модель исследуемого пласта, в которую входят: удельное электрическое сопротивление неизменной части пласта, удельное электрическое сопротивление и диаметр зоны проникновения бурового раствора в пласт. По этим данным оценивают коллекторские свойства пласта, такие как пористость, проницаемость и нефтенасыщенность.

С целью удешевления и упрочнения скважинного корпуса, последний можно изготовить из стальных звеньев, соединенных между собой механически и электрически в единое целое при помощи смыкающих их в местах подключения к корпусу измерительного датчика и токовых диполей шунтов из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением.

Учитывая высокую фокусирующую способность БЭЗ на основе зондов второй разности, появляется возможность получения изображения прискважинной части пластов, если вместо одного измерительного датчика второй разности разместить группу таких датчиков на пластине, прилегающей к стенке скважины. Количество m измерительных датчиков второй разности и плотность их размещения на пластине определяют разрешающую способность получаемого изображения прилегающей к стенке скважины части пласта.

На фиг. 4-7 представлены результаты математического моделирования предложенного способа БЭЗ фокусирующими зондами второй разности для четырех математических моделей среды.

Первая модель среды (фиг.4) – три пласта, пройденные скважиной диаметром 0,2 м с заполняющим ее раствором с удельным сопротивлением 1 Ом-м. Первый пласт с удельным электрическим сопротивлением 10 Ом-м простирается по координате Z от – до 4,5 м. Второй пласт с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом-м и толщиной 10 м простирается по координате Z от 4,5 м до 14,5 м. Третий пласт с удельным электрическим сопротивлением 10 Ом-м простирается по координате Z от 14,5 м до +.
Вторая модель среды (фиг.5) отличается от первой тем, что средний пласт, находящийся в интервале Z от 4,5 м до 14,5 м, подвержен проникновению бурового раствора, зона которого распространяется вглубь этого пласта на 0,4 м и ее удельное сопротивление равно 5 Ом-м.

Третья модель среды (фиг.6) отличается от первой тем, что второй пласт с удельным сопротивлением 100 Ом-м обладает толщиной всего 3 м и простирается по координате Z от 5 м до 8 м.

Четвертая модель среды (фиг.7) отличается от третьей тем, что средний пласт, находящийся в интервале от 5 м до 8 м, подвержен проникновению бурового раствора, зона которого распространяется вглубь этого пласта на 0,4 м и ее удельное сопротивление равно 5 Ом-м.

Как видно из фиг.4-7, кривые, полученные сфокусированными при помощи высокопроводящего металлического корпуса зондами второй разности БЭЗ обладают высокой степенью разрешения по координате Z и наглядной дифференциацией электрического сопротивления, подверженного проникновению бурового раствора пласта, которое получено пятью зондами БЭЗ различных размеров (0,25 м; 0,5 м; 1 м; 2 м и 3 м), чего нельзя достигнуть способом БКЗ потенциал- или градиент-зондами.

Отметим, что по сравнению с аналогом [1] и с прототипом [2], предлагаемый способ позволяет существенно повысить возможности изучения свойств пройденных скважиной пластов-коллекторов.

Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважин позволяет более точно определять подсчетные параметры пластов-коллекторов, что существенно повысит точность оценки запасов углеводородов на вновь открываемых месторождениях.

Формула изобретения

Способ бокового электрического зондирования, включающий подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи разноразмерных многоэлектродных зондов, состоящих из измерительных и токовых электродов, отличающийся тем, что зонды расположены в скважинном каротажном корпусе, выполненном из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением или из стальных секций, соединенных между собой в единую электрическую цепь перемычками из металлического сплава с термостабильным электрическим сопротивлением в местах подключения к этому корпусу измерительных и токовых электродов, причем измерительный датчик второй разности с тремя эквидистантными электродами подключают к внутренней боковой поверхности скважинного каротажного корпуса, на заданных расстояниях от центра этого датчика к внутренней боковой поверхности скважинного каротажного корпуса подключают n токовых диполей, в каждый из которых поочередно подают электрический ток, при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего электрода измерительного датчика с корпусом и вторую разность потенциалов и определяют удельное электрическое сопротивление окружающих скважину пластов горных пород по формуле

где U_N(I_AiBi) – потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода датчика второй разности соответственно при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iB_i;
²U(I_AiBi) – вторая разность потенциалов при очередной подаче тока в i-й токовый диполь А_iB_i;
R(М₁М₂) – заранее определенное погонное электрическое сопротивление участка скважинного корпуса между крайними измерительными электродами М₁М₂ измерительного датчика второй разности;
I_AiBi – ток, подаваемый к скважинному корпусу через i-й токовый диполь А_iB_i;
i – порядковый номер зонда соответствующего размера, где i= 1, 2, . . . , n;
n – максимальное количество зондов;
k_i – геометрический коэффициент i-го зонда.

РИСУНКИ