способ геофизических исследований скважин сложной конфигурации, основанный на применении направленных широкополосных электромагнитных импульсов, возбуждаемых щелевой цилиндрической антенной решеткой

Формула изобретения

Способ геофизических исследований скважин сложной конфигурации цилиндрическими зондами с электромагнитным возбуждением, предназначенный для определения электрических и геометрических параметров околоскважинных зон, отличающийся тем, что зонд выполнен в виде цилиндрической антенной решетки, которую возбуждают широкополосными электромагнитными импульсами длительностью порядка 10^-9 с, измеряют приемной антенной компоненту магнитного поля, сопоставляют результаты измерений с результатами математического моделирования и на основе минимизации вектора невязки определяют электрические и геометрические параметры неоднородностей околоскважинного пространства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизике и предназначено для исследования в скважинах при изучении геологического разреза, выявления полезных ископаемых, контроля технического состояния скважин и разработки месторождений.

Предлагается способ геофизических исследований нефтяных и газовых скважин сложной конфигурации (вертикальных, наклонных и горизонтально направленных) для определения электрических параметров (диэлектрической проницаемости и электропроводности) и границ разделов слоисто-неоднородных сред в околоскважинных зонах.

Способ основан на регистрации и математической обработке широкополосных электромагнитных импульсов с длительностью, не превышающей 10^-9 с, возбуждаемых и принимаемых цилиндрической антенной решеткой.

Изобретение поясняется результатами математического моделирования процессов распространения электромагнитных импульсов в неоднородных околоскважинных пространствах.

Наиболее близким аналогом является способ микродиэлектрического сканирования околоскважинных зон, предложенный: R. Freedman, Method and apparaus for measuring azimuthal as well as longitudinal waves in formation traversed by a borehole, United States Patent Number: 5,168,234; Date of Patent: Dec. 1, 1992. В цитируемом патенте R. Freedman предложен способ исследования околоскважинных зон с применением цилиндрических антенных решеток, возбуждающих высокочастотное электромагнитное поле с фиксированной частотой, равной 1,110⁹ Гц. При этом попеременно возбуждают и измеряют продольные и азимутальные волны. Принципиальным ограничением способа, предложенного R. Freedman, является относительно малая глубина проникновения высокочастотного электромагнитного поля (равная = 0,03 - 0,1 м) в околоскважинном пространстве для скважин, разбуриваемых с применением промывочных жидкостей с удельным электрическим сопротивлением 0,1 , См/м (заметим, что бурение огромного большинства нефтяных и газовых скважин в России и за рубежом производится с применением промывочной жидкости с > 0,1 См/м). Оценку глубины проникновения для высоких частот порядка 10⁹ Гц можно выполнить согласно формуле



где _o= 120 = 376,99 , _r - относительная проницаемость среды. Из формулы (1) следует, что глубина проникновения электромагнитного поля в околоскважинное пространство с проводимостью = 1 См/м составляет всего = 0,048 м. Принимая во внимание такое незначительное проникновение электромагнитной волны высокой частоты, автор патента R. Freedman указывает ограниченную область применения своего изобретения, состоящую в микродиэлектрическом сканировании околоскважинных зон с целью определения структурной анизотропии и трещиноватости вблизи стенки скважины.

Предлагаемый способ геофизического исследования скважин, основанный на применении широкополосных электромагнитных импульсов, в отличие от способа, представленного в патенте R. Freedman, обладает двумя принципиально важными преимуществами, которые обеспечивают: а) глубину исследования неоднородного пространства порядка 1 - 3 м с разрешающей способностью L 0,03 м ;

б) количественное определение электрических и геометрических параметров околоскважинного пространства в азимутальном и продольном направлении скважин.

Представлен способ геофизических исследований скважин сложной конфигурации для определения электрических и геометрических параметров околоскважинных зон с применением цилиндрической антенной решетки, которую возбуждают широкополосными электромагнитными импульсами длительностью порядка 10^-9 с, измеряют приемной антенной компоненту магнитного поля, сопоставляют результаты измерений с результатами математического моделирования и на основе минимизации вектора невязки определяют электрические и геометрические параметры неоднородностей околоскважинного пространства.

Известные цилиндрические зонды с электромагнитным возбуждением на фиксированной частоте не обладают высокой проникающей способностью в горные породы и другие неоднородные диэлектрические среды, подвергаемые исследованию.

В заявляемом изобретении предлагается способ исследования горных пород зондами с цилиндрической антенной решеткой, возбуждающей сверхкороткие пространственно-направленные широкополосные электромагнитные импульсы. Способ основан на выделении информативных сигналов на приемных антенных устройствах зонда: прямого сигнала; боковых волн и волн, одно- и многократноотраженных от границ раздела неоднородностей, с регистрацией моментов их прихода и последующим анализом амплитуды и фазы каждого приходящего сигнала. Приемные антенные устройства расположены на цилиндрической поверхности зонда на разных расстояниях y_м от передающей антенны. Обработка результатов измерения отклика электромагнитного поля производится на основе применения математической модели антенной решетки в скважине, окруженной слоисто-неоднородным пространством. В результате сопоставления измеренного отклика электромагнитного поля на импульс, возбуждаемый антенной решеткой, с соответствующими данными математического моделирования и минимизацией вектора невязки определяют электрические и геометрические параметры неоднородного околоскважинного пространства.

Применение коротких видеоимпульсов длительностью порядка 10^-10 - 10^-9 с является весьма эффективным методом радиолокационного обнаружения и распознавания естественных и искусственных подповерхностных образований. Широкополосность столь коротких импульсов обеспечивает глубину проникновения порядка 1 - 3 м в среды с большими потерями с проводимостью , превышающей 1 См/м, и высокую разрешающую способность при исследовании неоднородной среды.

Низкочастотная часть широкополосного электромагнитного импульса обладает большой глубиной проникновения

.

Согласно этой формуле, для компонент спектра импульса с частотой f = 10⁵ Гц глубина проникновения составляет = 1,59 м. Сопоставление глубины проникновения высокочастотного электромагнитного поля (формула 1) и низкочастотного поля (формула 2) показывает существенно большую эффективность применения широкополосных сигналов с длительностью импульса 10^-10 - 10^-9 с.

Кроме того, высокочастотная часть спектра передающей антенны служит для обострения излучаемого импульса, что необходимо для того, чтобы его амплитуда уменьшилась до требуемого низкого уровня к моменту прихода к приемной антенне слабого отраженного импульса. Форма импульса и его длительность определяют разрешающую способность предлагаемого способа.

Разрешающая способность характеризуется величиной минимально возможной толщины слоя неоднородности, определение которой обеспечивает данный электромагнитный импульсный метод зондирования. При длительности импульса 10^-9 с разрешающая способность L будет порядка 0,03 м. С уменьшением длительности импульса разрешающая способность метода возрастает, т.е. L < 0,03 м.

Для раскрытия сущности предлагаемого способа рассмотрим математическую модель, отражающую принципы предлагаемого способа каротажа скважин сложной конфигурации.

Исследование нестационарных процессов распространения электромагнитных импульсов основано на рассмотрении трехслойной среды с границами разделов сред, представляющими собой бесконечные параллельные плоскости. Предположим, что применяется щелевая антенная решетка. Согласно электродинамическому принципу эквивалентности, излучение из щели, прорезанной в идеально проводящей поверхности, можно заменить действием горизонтального магнитного диполя с моментом тока I. Вводится декартова система координат с плоскостью xy (т. е. плоскостью z = 0, где ось z перпендикулярна поверхностям разделов сред), являющейся идеально проводящей и имитирующей боковую поверхность зонда. Нестационарный магнитный диполь расположен на идеально проводящей поверхности зонда в начале системы координат с моментом - дельта-функция Дирака, f(t) - заданная функция времени, m₀ - амплитуда дипольного момента. Функция f(t) описывает следующие нестационарные процессы возбуждения электромагнитного поля: включение монохроматического диполя в момент времени t = 0; прямоугольный импульс произвольной длительности , гауссов импульс вида f(t) = exp[²(t-_o)²] и др. При этом переменный магнитный момент тока I(t) диполя равен dm/dt = I(t).

Преобразование Лапласа уравнений Максвелла по переменной времени дает изображение компонент векторного потенциала A⁽_x¹⁾(M,p) и A⁽_z¹⁾(M,p) в первом слое (прилегающем к плоскости xy):

,

где

G(R, p) = exp(ik₁(p)R)/R - функция Грина, , M = (x,y,z), , p - комплексная переменная преобразования Лапласа, J_0,1(z) - функции Бесселя, J_x(p) = pm(p) - преобразование Лапласа момента магнитного тока J_x(t) = dm_x(t)/dt, , Re₁> 0 , , Imk₁>0, ₁(p) = _0r1+₁/p , _r1 и ₁ являются относительной диэлектрической проводимостью и проницаемостью 1-го слоя; всюду ₁= _0/ . Неизвестные функции g_x, g_z определяются из условий непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей на границах разделов сред.

Нас интересуют значения x-компоненты магнитного поля в приемных антеннах с различными координатами M = (0, y_м, 0):

.

Нестационарные решения могут быть формально представлены в виде обратного преобразования Лапласа:

.

Создан комплекс компьютерных программ для вычисления компонент магнитного поля в точке наблюдения для различных параметров слоистых сред видов импульсов.

Из формул следует, что сигнал, принимаемый в точке наблюдения M, представляет собой сумму из прямого сигнала, а также набора волн, испытавших 0, 1, 2,...n отражений от границ разделов сред и от идеально проводящей плоскости. Например, в случае двухслойной среды моменты прихода сигнала, испытавшего m отражений от границы раздела двух сред, будут равны: , m = 0,1, . .., h - толщина первого слоя. Кроме того, полное нестационарное электромагнитное поле в точке наблюдения может также включать в себя боковые волны различных индексов. Время прибытия боковой волны индекса m (m = 1,2,.. .) равно

.

Эти волны существуют, когда _r1> _r2 и t⁽_m^lat)< t_m . Наблюдаемые моменты времени прихода сигналов различных типов, их амплитуды и фазы позволяют определять параметры многослойной среды.

На каждой из приемных антенн, расположенных в точках M = (0, y_м, 0) (y_м - расстояние от данной приемной антенны до передающей антенны) на образующей зонда, измеряется отклик x-компоненты магнитного поля. Примеры результатов расчетов x-компоненты поля в зависимости от времени для различных сред представлены на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 представлен отклик компоненты поля H_x на воздействие гауссовым импульсом магнитного диполя в двухслойной среде (₁= 0,1 См/м, _r1= 80, ₂= 0,005 См/м, _r2= 1) с толщиной слоя h = 0,55 м, y_м = 1 м, время нормировано: , c = 310⁸.

На фиг. 2 представлен диффузионно-волновой эффект распространения отклика магнитного поля на возбуждение гауссовым импульсом магнитного диполя в двухслойной среде с большой проводимостью первого слоя ₁= 1 См/м, _r1= 40, ₂= 0,005 См/м, _r2 = 4 в точке M(0, y_м, 0), y_м = 0,5 м, для различных значений толщины слоя h = 0,1 м; 0,2 м; 0,3 м; .

Применение созданного комплекса программ, реализующих математическую модель распространения электромагнитных импульсов, и анализ на его основе наблюдаемых моментов времени прихода сигналов различных типов, их амплитуд и фаз (для которых составлена система нелинейных алгебраических уравнений) позволяют определять геометрические и электрические параметры неоднородного околоскважинного пространства.

Способ геофизических исследований скважин сложной конфигурации заключается в анализе и сопоставлении результатов измерений отклика электромагнитного поля на импульс, возбужденный антенной решеткой, с соответствующими данными математического моделирования с последующей минимизацией вектора невязки для определения электрических и геометрических параметров неоднородного околоскважинного пространства.