способ электрического каротажа обсаженных скважин

Формула изобретения

Способ электрического каротажа обсаженных скважин, включающий подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с обсадной колонной зонда, содержащего три эквидистантных измерительных электрода, первый и второй токовые электроды, расположенные соответственно выше и ниже измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, отличающийся тем, что зонд содержит третий токовый электрод, расположенный на уровне среднего измерительного электрода и подключенный к колонне в точке, несовмещенной с точкой контакта с колонной среднего измерительного электрода, в каждый из трех токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника, и при каждой из трех подач электрического тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной, первую разность потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами и вторую разность потенциалов на том же участке колонны, а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, которое определяют по формуле



где k₁ и k₂ - коэффициенты, вытекающие из системы двух уравнений



которые для данной конструкции зонда с тремя измерительными электродами равны:



и



где U_N(I_A1), U_N(I_A2), U_N(I_A3) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, соответственно, при подаче токов в верхней, нижний и средний токовые электроды зонда;

U_M2M1(I_A1), U_M2M1(I_A2), U_M2M1(I_A3) - первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда, соответственно, при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда;

²U(I_A1), ²U(I_A2), ²U(I_A3) - вторые разности потенциалов электрического поля, соответственно, при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда;

I_A1, I_A2, I_A3 - токи, подаваемые к колонне в точках соприкосновения с ней верхнего, нижнего и среднего токовых электродов зонда;

k - коэффициент зонда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.

Известен способ определения удельного сопротивления пластов в обсаженной скважине (Патент США N 4796186, НКИ 364/422, опублик. 03.01.1989) [1]. Согласно способу проводят два раздельных измерения первых разностей потенциала электрического поля на двух парах измерительных электродов при двух различных возбуждениях поля: первым - двухполюсным зондом малого размера (пятиэлектродный зонд), вторым - однополюсным зондом большого размера (четырехэлектродный зонд). Затем расчетным способом корректируют одно измерение через другое.

Недостатком способа является то, что из-за корректировки измерений исключается возможность применения датчика второй разности потенциалов электрического поля для непосредственного ее измерения, что приводит к погрешностям при определении удельного электрического сопротивления через измеренные две первые разности потенциалов электрического поля, из которых расчетным способом определяют вторую разность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ дивергентного каротажа обсаженных скважин, включающий измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с колонной однополюсного четырехэлектродного зонда, 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. 1962 г. Вып.32 с. 76-85 - прототип) [2].

Способ позволяет определять отношение электрического сопротивления окружающих скважину пород к электрическому сопротивлению колонны 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.

Недостатком известного способа является то, что в измеряемом параметре присутствует электрическое сопротивление колонны. Практически способ в реальных обсаженных скважинах малопригоден к применению, так как сопротивление колонны может заметно изменяться (изменения толщины стенки колонны, некачественный контакт в замках колонны и др.). Заметное искажение измеренного сопротивления окружающих колонну пластов горных пород связано с тем, что зонд питается от одного однополюсного источника тока, основная доля которого в пределах измерительных электродов течет вдоль по колонне и в миллионы раз превышает долю тока, текущего в пласт в пределах тех же измерительных электродов. В результате точность определения параметров пласта невысока, а диапазон измерения ограничен.

В предложенном способе решается задача повышения точности и расширения диапазона измерения параметров пласта, в частности удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную скважину.

Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, включающем измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с колонной однополюсного четырехэлектродного зонда, конструктивно выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов и одного, расположенного выше на заданном расстоянии от них, токового электрода, согласно изобретению, в зонд дополнительно вводят два токовых электрода - один ниже измерительных электродов симметрично верхнему токовому электроду относительно среднего измерительного электрода, а другой - в середину на уровень среднего измерительного электрода, который подключают к колонне в точке, не совмещенной с точкой контакта с колонной среднего измерительного электрода, и в каждый из трех токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника, и при каждой из трех подач электрического тока измеряют потенциал электрического поля среднего измерительного электрода, первую разность потенциалов между двумя крайними измерительными электродами и вторую разность потенциалов между всеми тремя измерительными электродами, а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, которое определяют по формуле



где k₁ и k₂ - коэффициенты, вытекающие из системы двух уравнений



для получения которых принимают, что в пределах зоны измерительных электродов зонда независимо от его конструкции результирующий ток вдоль колонны равен нулю, а результирующий радиальный ток в пределах этой зоны имеет заданную величину при любой величине электрической проводимости колонны, и эти коэффициенты для данной конструкции зонда с тремя измерительными электродами равны



и



где U_N(I_A1), U_N(I_A2, U_N(I_A3) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней центрального измерительного электрода соответственно при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда;

U_M2M1(I_A1), U_M2M1(I_A2), U_M2M1(I_A3) - первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда, соответственно, при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда;

²U(I_A1), ²U(I_A2), ²U(I_A3) - вторые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней всех трех измерительных электродов зонда, соответственно, при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда;

I_A1, I_A2, I_A3 - токи, подаваемые к колонне в точке соприкосновения с ней верхнего, нижнего и среднего токовых электродов зонда,

k - коэффициент зонда.

Для разделения потенциалов электрического поля, их первых и вторых разностей, возникающих от возбуждения электрического поля токами I_A1, I_A2, I_A3, последние посылают в каждый из токовых электродов зонда поочередно.

Сущность изобретения

На фиг. 1 дана блок-схема устройства, реализованного по предлагаемому способу. Здесь 1 - скважина; 2 - обсадная металлическая колонна; 3 - окружающий скважину пласт горных пород; 4 - цементный стакан, закрепляющий колонну с окружающими ее породами; 5 - скважинный прибор; 6 - средний измерительный электрод N; 7 и 8- симметрично расположенные относительно среднего измерительные электроды М₁ и M₂; 9, 10 и 11 - токовые электроды, сооответственно, A₁, A₂ и A₃; 12 - электронный переключатель тока в цепи токовых электродов A₁, A₂ и A₃; 13 - генератор тока; 14 - линия связи первого полюса генератора 13 с электронным переключателем 12; 15 - обратный токовый электрод B, подключенный ко второму полюсу генератора 13; 16- усилитель первой разности потенциалов между измерительными электродами 8 и 7; 17 - усилитель второй разности потенциалов между измерительными электродами 7, 8 и 6; 18 - усилитель потенциала U_N между центральным измерительным электродом 6 и удаленным электродом N - 19.

На фиг. 2 даны результаты математического моделирования для четырех вариантов моделей исследуемой среды предложенным способом. На фиг. 3 даны результаты математического моделирования для других двух вариантов усложненных моделей геоэлектрического разреза.

На обеих фиг. 2 и 3 по горизонтальной оси отложена координата Z, определяющая в метрах глубину залегания пластов и неоднородностей колонны, а по вертикальной оси измеряемый предложенным способом параметр _п- удельное электрическое сопротивление окружающих обсадную колонну пород в Ом м. Сплошной линией обозначены результаты моделирования при однородном сопротивлении обсадной колонны, пунктирной линией - при неоднородном сопротивлении обсадной колонны.

Для исключения влияния непостоянства электрической проводимости обсадной колонны вдоль осевой координаты, искажающего результаты измерений, необходимо ввести дополнительно симметрично верхнему токовому электроду A₁ нижний токовый электрод A₂ и в середину зонда в зону измерения второй разности потенциалов - средний токовый электрод A₃; и токи, текущие через эти электроды, подобрать такими, чтобы в пределах зоны измерительных электродов зонда, независимо от его конструкции, результирующий ток, текущий вдоль по колонне, равнялся бы нулю, а результирующий радиальный ток в пределах этой зоны имел бы всегда заведомо заданную величину при любой величине электрической проводимости обсадной колонны. Эти два условия выполняются через измеряемые первые и вторые разности потенциалов в единственном случае, когда результирующие первая и вторая разности потенциалов электрического поля всех трех источников A₁, A₂ и A₃ на измерительной базе зонда равняются нулю. При этом нет необходимости в подборе токов в токовых электродах зонда, а всего лишь достаточно измерить эти разности в функции произвольно заданных токов каждого из трех источников A₁, A₂ и A₃ и решить следующую систему уравнений:



при помощи которой находят величины коэффициентов k₁ и k₂, которые определяют амплитуды токов источников A₁ и A₂ по отношению к амплитуде тока источника A₃ для выполнения двух вышеуказанных условий.

Могут быть другие способы выравнивания потенциалов крайних измерительных электродов: создание групп токовых электродов, групп измерительных электродов и пр. Могут модифицироваться группы измерительных электродов, например, вместо трех - четыре. Можно вводить разнополярные источники с целью изменения глубины проникновения радиального тока и определения радиальной изменчивости пород. Можно менять размер зонда. Однако независимо от любой модификации зонда, основой предлагаемого способа является равенство нулю результирующих первых и вторых разностей потенциалов электрического поля на базе их измерения, что позволяет исключить влияние погонного электрического сопротивления обсадной колонны и получить измеряемый результат в виде кривой удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород в Ом м.

Для предложенного способа с шестиэлектродным зондом это сопротивление выражается формулой



где U_N(I_A1), U_N(I_A2), U_N(I_A3) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней центрального измерительного электрода соответственно при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда, вольты;

U_M2M1(I_A1),U_M2M1(I_A2),U_M2M1(I_A3) - первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда, вольты;

²U(I_A1),²U(I_A2),²U(I_A3) - вторые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней всех трех измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда, вольты;

I_A1, I_A2, I_A3 - токи, подаваемые к колонне в точке соприкосновения с ней верхнего, нижнего и среднего токовых электродов зонда, амперы;

k - коэффициент зонда.

Пример конкретного выполнения

На фиг. 1 представлена блок-схема аппаратуры, выполненной по предложенному способу. На блок-схеме показана скважина 1 в поперечном разрезе с обсадной металлической колонной 2, между которой и пластом 3 находится слой цемента 4. Скважинный прибор 5 находится в скважине и примыкает к участку пласта 3, удельное сопротивление которого измеряют. В скважинном приборе 5 находится зонд, состоящий из среднего измерительного электрода N, обозначенного на фиг. 1 номером 6, двух дополнительных измерительных электродов M₁ - 7 и M₂ - 8 и трех токовых электродов верхнего A₁ - 9, нижнего A₂ - 10 и среднего A₃ - 11. Все шесть электродов прижаты к стенке колонны и имеют с ней электрический контакт. Причем токовый электрод ₃ - 11 и средний электрод N-6 расположены в одной плоскости, перпендикулярной к стенке колонны, но примыкают к колонне в различных точках окружности, образующейся в результате пересечения указанной плоскости и колонны.

В скважинном приборе 5 находится электронный переключатель 12 для последовательной подачи тока в токовые электроды 9, 10 и 11. Электронный переключатель 12 соединен с первым полюсом находящегося на дневной поверхности генератора 13 переменного тока инфранизкой частоты линией связи 14. Второй полюс генератора 13 заземлен на дневной поверхности через обратный токовый электрод B, обозначенный цифрой 15. В скважинном приборе 5 находятся также усилитель разности потенциалов U_M2M1 - 16 между электродами 8 и 7 и усилитель второй разности потенциалов ²U_M2NM2 - 17. Усилитель потенциала U_N - 18 может находиться в скважинном приборе или на поверхности. Потенциал U_N центрального измерительного электрода 6 измеряется относительно удаленного электрода N - 19, который может располагаться как на дневной поверхности, так и в скважине на достаточно большом удалении от скважинного прибора и зонда. Компьютер, обрабатывающий сигналы U, U,²U и I по формуле (1), и регистратор кривой сопротивления _п на фиг. 1 не показаны. Удельное электрическое сопротивление _п в данном примере конкретного выполнения получено из формулы (1). Эта формула выведена из предпосылки, что результирующая осевая составляющая тока, текущего вдоль колонны между измерительными электродами 7-6-8, равна нулю, а результирующая составляющая радиального тока между измерительными электродами 7 - 8 имеет заданную величину. Благодаря этому искажающее влияние электрического сопротивления колонны на результаты измерения отсутствует, и регистратор после обработки сигналов по формуле (1) регистрирует истинное сопротивление пласта _п, что подтверждено моделированием на математических моделях, проиллюстрированным на фиг. 2 и 3.

На фиг. 2 представлены вычисления параметра _п предложенным способом для четырех математических моделей среды.

Первая модель среды - пласт неограниченной мощности по координате Z от - до + с удельным электрическим сопротивлением, равным 5 Ом м, который пронизан скважиной и однородной по вертикали обсадной колонной.

Вторая модель - тот же пласт неограниченной мощности с сопротивлением 5 Ом м пронизан неоднородной по электрическому сопротивлению колонной. В интервале от -3,5 м до +1,5 м сопротивление колонны увеличено в 5 раз по сравнению с остальными ее участками. Результаты моделирования для этой модели представлены на нижней пунктирной кривой. Отметим также, что расстояние между крайними измерительными электродами для всех моделей по фиг. 2 и 3 выбрано 1 м, поэтому разрешающая способность по вертикали Z также будет для всех рассматриваемых случаев равняться одному метру.

Третья модель - пласт неограниченной мощности с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом м пронизан скважиной с однородной по вертикали колонной. Четвертая модель - тот же пласт с сопротивлением 100 Ом м и неоднородной колонной с теми же параметрами, что и во второй модели.

Как видно из фиг. 2, нижняя и верхняя сплошные линии, вычисленные предложенным способом, отражают истинные сопротивления _п, соответственно 5 Ом м и 100 Ом м для пластов неограниченной мощности с сопротивлениями 5 Ом м и 100 Ом м, пронизанных однородной по сопротивлению колонной. Участок колонны с повышенным сопротивлением в 5 раз не вносит изменения сопротивления пунктирных кривых, вычисленных предложенным способом. Наблюдаются лишь небольшие выбросы на границах изменения сопротивления колонны, которые составляют всего лишь несколько процентов от вычисленного истинного сопротивления пластов.

На фиг. 3 представлены вычисления параметра _п для двух математических моделей среды, для которых также выполнено моделирование предложенным способом.

Первая модель среды - первый пласт с удельным сопротивлением 1 Ом м, простирающийся по глубине Z от - до -5 м; второй пласт с сопротивлением 5 Ом м, простирающийся по глубине от -5 м до -3 м; третий пласт с сопротивлением 10 Ом м, простирающийся по глубине от -3 м до -2 м; четвертый пласт с сопротивлением 5 Ом м, простирающийся по глубине от -2 м до 0 м; пятый пласт с сопротивлением 100 Ом м, простирающийся по глубине от 0 м до 3 м; шестой пласт с сопротивлением 10 Ом м, простирающийся по глубине от 3 м до +. . Вся пачка пластов пронизана скважиной и колонной, однородной по сопротивлению.

Вторая модель среды - та же пачка пластов, что и в первой модели, но пронизанная неоднородной по сопротивлению колонной. В интервале глубин от -3,5 м до 1,5 м сопротивление колонны увеличено в 5 раз по сравнению с ее остальными участками. Результаты моделирования для этой модели представлены пунктирной кривой. Как видно из этой фигуры, и сплошная кривая (модель с однородной колонной) и пунктирная кривая (модель с неоднородной колонной) отражают истинное сопротивление _п всех пластов, окружающих обсаженную скважину.

Предложенный способ реализован в виде аппаратурного макета и испытан в скважине. Результаты испытаний макета в обсаженной скважине подтвердили совпадение с результатами стандартного каротажа сопротивлений, полученными до обсадки скважины. Следует отметить, что в данном макете токи I_A1, I_A2, I_A3 стабилизировались и равнялись значению 5A, но стабилизация токов питания в предлагаемом способе необязательна, так как он постоянно измеряется, и если он меняет свое значение, то компьютер вводит поправку в измеренные потенциалы и их разности пропорционально изменению тока питания. При этом в данном макете потенциалы U_N от возбуждения каждым из трех источников составляли в среднем 8-12 мВ, первые разности потенциалов - в среднем 40-60 мкВ и вторые разности - от 0 до I мкВ.

Отметим, что по сравнению с прототипом [2], предлагаемый способ позволяет повысить точность и расширить диапазон измерения удельного сопротивления пластов горных пород. По предложенному способу точность измерения составляет 5%, а по прототипу - до 100%. Диапазон измерения удельного электрического сопротивления по предложенному способу составляет не менее 1000, а по прототипу - не более 100.

Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважины даст значительный экономический эффект, так как позволит контролировать в эксплуатируемых нефтяных скважинах уровень водонефтяного контакта там, где это невозможно по той или иной причине методами радиоактивного каротажа, например, при низкой пористости пластов-коллекторов или если вода, подпирающая нефтяной пласт, опреснена.