способ измерения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине, при котором, по меньшей мере, два измерительных электрода перемещают вдоль скважины, измеряют разность потенциалов между вышеупомянутыми измерительными электродами и по измеренным значениям определяют значения потенциала самопроизвольной поляризации, отличающийся тем, что измерительные электроды располагают в скважине на одном и том же уровне, при этом, по меньшей мере, один из измерительных электродов выполнен неполяризующимся.

2. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине, содержащее наземную часть и скважинную часть, включающую, по меньшей мере, два измерительных электрода и блок измерения, входы которого соединены с выводами измерительных электродов, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один электрод выполнен неполяризующимся за счет размещения его в корпусе, заполненном электролитическим раствором, а другой измерительный электрод установлен с внешней стороны корпуса на одном уровне с неполяризующимся электродом, при этом часть стенок корпуса, расположенная между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, выполнена из ионно-проницаемого материала, а остальные части стенок корпуса выполнены из электроизоляционного материала.

3. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по п.2, отличающееся тем, что часть стенок корпуса, расположенная между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, выполнена в виде мембраны.

4. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по п.2, отличающееся тем, что часть стенок корпуса, расположенная между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, выполнена в виде перегородки из пористого материала.

5. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что корпус снабжен средством выравнивания гидростатического давления.

6. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что измерительный электрод, установленный с внешней стороны корпуса, выполнен с отверстиями.

7. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по любому из пп.2-6, отличающееся тем, что измерительный электрод, установленный с внешней стороны корпуса, выполнен в виде кольцевого электрода, расположенного осесимметрично с неполяризующимся электродом.

8. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по любому из пп.2-7, отличающееся тем, что блок измерения содержит усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с запоминающим устройством и первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен со входом блока часов реального времени.

9. Устройство для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине по любому из пп.2-7, отличающееся тем, что блок измерения содержит усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен со входом телеметрической системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано для измерения потенциала самопроизвольной поляризации (ПС), предпочтительно, в скважинах, бурящихся на нефть и газ и имеющих горизонтальное завершение.

Известен способ измерения потенциала ПС, согласно которому измеряют разность потенциалов между первым электродом, перемещаемым вдоль скважины с помощью каротажного кабеля, и вторым, неподвижным, электродом, находящимся на поверхности земли [Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин. М.: Недра, 1984, стр. 28-29, рис. 7].

Недостатками данного способа являются, во-первых, ограниченная область применения, поскольку способ требует обязательного наличия каротажного кабеля и не может использоваться с автономной аппаратурой, предназначенной для исследования скважин с горизонтальным завершением, во-вторых, низкая точность измерения, обусловленная влиянием теллурических, индустриальных и коррозионных токов, протекающих в толще земли рядом со скважиной и по скважине.

Устройство, реализующее вышеописанный способ, содержит первый электрод, размещенный в скважине с помощью каротажного кабеля, и второй электрод, неподвижный, находящийся на поверхности земли, а также измеритель разности потенциалов между электродами. Устройство обладает всеми недостатками реализуемого способа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой способ измерения потенциала ПС в скважине, при котором по меньшей мере два измерительных электрода перемещают вдоль скважины и измеряют текущие значения разности потенциалов между измерительными электродами М и N, расположенными в скважине на разной глубине на заданном расстоянии друг от друга, равном шагу квантования по глубине или меньшем при спуске, по результатам текущих значений разности потенциалов определяют разность электродных потенциалов измерительных электродов, соответствующих нулевому значению дифференциала потенциалов ПС, затем при подъеме зонда по результатам текущих значений разности потенциалов определяют текущее значение дифференциалов и текущее значение потенциалов ПС путем суммирования дифференциалов ПС [А.с. СССР 1453353, МПК G 01 V 3/18. приоритет от 04.01.87, опубл. 23.01.89. Бюл. 3].

Вышеописанный способ имеет ограниченную область применения, так как не может быть использован с автономной измерительной аппаратурой, спускаемой на буровых трубах и обеспечивающей измерение ПС не только на вертикальных, но и на субгоризонтальных участках скважины. Это обусловлено тем, что обеспечить перемещение электродов на точно заданное расстояние, т.е. обеспечить постоянство шага квантования по глубине или равенство этого шага расстоянию между электродами М и N, можно только при использовании кабеля. Способ также обладает низкой точностью измерения, поскольку суммирование дифференциалов потенциалов ПС приводит к накоплению погрешности при достаточно протяженном интервале измерения. К тому же имеет место влияние на результаты измерения теллурических, индустриальных и коррозионных токов, протекающих в толще земли рядом со скважиной и в скважине, поскольку оба измерительных электрода находятся на расстоянии друг от друга, что также снижает точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее способ согласно А.с. СССР 1453353. В скважинной части устройство содержит измерительные электроды, расположенные в скважине на разной глубине, и блок измерений, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровую (кодоимпульсную) телеизмерительную систему, а в наземной части - блок управления, вычислитель разности электродных потенциалов, вычислитель потенциала ПС, устройство визуализации и регистратор результатов измерений. Устройству присущи все недостатки реализуемого способа.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения потенциалов ПС и расширения области применения за счет обеспечения возможности измерения потенциалов ПС на различных по наклону участках скважины, в том числе на субгоризонтальных участках скважины.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине, при котором по меньшей мере два измерительных электрода перемещают вдоль скважины, измеряют разность потенциалов между вышеупомянутыми измерительными электродами и по измеренным значениям определяют значения потенциала самопроизвольной поляризации, согласно изобретению предлагается измерительные электроды располагать в скважине на одном и том же уровне, при этом по меньшей мере один из измерительных электродов предлагается выполнить неполяризующимся.

Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для определения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине, содержащем наземную часть и скважинную часть, включающую по меньшей мере два измерительных электрода, и блок измерения, входы которого соединены с выводами измерительных электродов, согласно изобретению предлагается по меньшей мере один электрод выполнить неполяризующимся за счет размещения его в корпусе, заполненном электролитическим раствором, а другой измерительный электрод установить с внешней стороны корпуса на одном уровне с неполяризующимся электродом, при этом предлагается часть стенок корпуса, расположенную между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, выполнить из ионно-проницаемого материала, а остальные части стенок корпуса выполнить из электроизоляционного материала.

Часть стенок корпуса, расположенная между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, может быть выполнена в виде мембраны.

Часть стенок корпуса, расположенная между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, может быть выполнена в виде перегородки из пористого материала.

Корпус может быть снабжен средством выравнивания гидростатического давления.

Измерительный электрод, установленный с внешней стороны корпуса, может быть выполнен с отверстиями.

Измерительный электрод, установленный с внешней стороны корпуса, может быть выполнен в виде кольцевого электрода, расположенного осесимметрично с неполяризующимся электродом.

Блок измерения может содержать усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналогово-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с запоминающим устройством и первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен с выходом блока часов реального времени.

Блок измерения может содержать усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналогово-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен со входом телеметрической системы.

В предлагаемом способе за счет того, что измерительные электроды располагают в скважине на одном и том же уровне, т.е. на одной и той же глубине, а один из измерительных электродов выполнен неполяризующимся, повышается точность измерения потенциала ПС. Это достигается за счет проведения прямых измерений потенциала, при этом в отличие от измерения приращения значений потенциала на заданной базе, как в ближайшем аналоге, отсутствует необходимость проведения интегрирования дифференциалов потенциалов ПС. Кроме того, за счет расположения электродов на одном уровне сокращается расстояние между ними, следовательно. исключается влияние на результаты измерений теллурических, индустриальных и коррозионных токов, протекающих в толще земли рядом со скважиной и в скважине. К тому же, обеспечивается расширение области применения способа, поскольку его осуществление не требует обязательного применения каротажного кабеля, как в ближайшем аналоге, где заданный шаг квантования может быть обеспечен только при использовании кабеля, в связи с чем способ может использоваться для измерения потенциала ПС на субгоризонтальных участках скважины с помощью автономной измерительной аппаратуры, спускаемой на буровых трубах. При этом неравномерность шага квантования по глубине не приводит к появлению дополнительных погрешностей и шаг может быть задан с равномерным квантованием по времени, что легко осуществить в автономном устройстве.

В предлагаемом устройстве за счет того, что один из электродов размещен в корпусе, заполненном электролитическим раствором, достигается возможность его выполнения неполяризующимся. Расположение другого измерительного электрода с внешней стороны корпуса на одном уровне с неполяризующимся электродом обеспечивает возможность повышения точности измерений за счет сокращения расстояния между электродами и устранения необходимости поддерживать постоянным шаг квантования. При этом выполнение одной части стенок корпуса, расположенной между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, из ионно-проницаемого материала, а остальных частей стенок корпуса из электроизоляционного материала позволяет осуществить электрический контакт между электродами, а также обеспечивает отделение электролитического раствора от бурового раствора и тем самым обеспечивает постоянство состава электролитического раствора, следовательно, способствует повышению точности измерений.

За счет выполнения части стенок корпуса, расположенной между неполяризующимся электродом и измерительным электродом, установленным с внешней стороны корпуса, в виде мембраны или перегородки из пористого материала, обеспечивается возможность выбора оптимального варианта технологии изготовления устройства и проведения каротажных работ.

За счет того, что корпус может быть снабжен средством выравнивания гидростатического давления, обеспечивается возможность оптимизации величины давления на стенки корпуса и тем самым предотвращается разрушение скважинной части устройства.

Выполнение измерительного электрода, установленного с внешней стороны корпуса, с отверстиями для проникновения бурового раствора способствует электрическому контакту между измерительными электродами.

За счет выполнения измерительного электрода, установленного с внешней стороны корпуса, в виде кольцевого электрода, расположенного осесимметрично с неполяризующимся электродом, обеспечивается оптимизация размеров скважинной части устройства.

Выполнение блока измерений так, что он содержит усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с запоминающим устройством и первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен с выходом блока часов реального времени, обеспечивает возможность реализации автономной скважинной части устройства, установленной на буровых трубах, что позволяет использовать способ для измерений на субгоризонтальных участках скважины.

Выполнение блока измерений так, что он содержит усилитель, входы которого являются входами блока измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, объединенного общей шиной с первым портом микроконтроллера, второй порт которого соединен со входом телеметрической системы, обеспечивает возможность реализации устройства, скважинную часть которого спускают в скважину на кабеле, что позволяет использовать способ для измерений на вертикальных участках или участках с малым наклоном.

На фиг. 1 представлена блок-схема скважинной части устройства для измерения потенциалов самопроизвольной поляризации. На фиг.2 приведена функциональная схема блока управления скважинной части устройства для измерения потенциалов самопроизвольной поляризации, выполненного в автономном варианте, при котором скважинную часть спускают в скважину на бурильной колонне. На фиг. 3 приведена функциональная схема блока управления скважинной части устройства для измерения потенциалов самопроизвольной поляризации, выполненного в кабельном варианте, при котором скважинную часть спускают в скважину на каротажном кабеле.

Устройство для измерения потенциалов самопроизвольной поляризации в скважине содержит наземную часть, представляющую собой типовую наземную каротажную станцию (не показана), и скважинную часть, блок-схема которой приведена на фиг.1 и включает в себя корпус 1, заполненный электролитическим раствором 2, в котором размещен первый измерительный электрод, выполненный в виде неполяризующегося электрода 3. Второй измерительный электрод 4 расположен с внешней стороны корпуса 1 на одном уровне с неполяризующимся электродом 3. Измерительный электрод 4 выполнен в виде кольцевого электрода с отверстиями 5 для проникновения бурового раствора 6 и расположен осесимметрично с неполяризующимся электродом 3. Часть стенок корпуса 1, расположенной между неполяризующимся электродом 3 и измерительным электродом 4, установленным с внешней стороны корпуса 1, выполнена из ионно-проницаемого материала и может представлять собой, например, пористую перегородку 7 либо мембрану (не показана). Перегородка 7 пропускает электрический ток и отделяет электролитический раствор 2 от бурового раствора 6.

Корпус 1 выполнен из электроизоляционного химически инертного материала, например стеклопластика. Измерительный электрод 4 может быть выполнен из металла, например свинца. В качестве неполяризующегося электрода 3, может быть использован любой стандартный электрод сравнения - каломельный, хлорсеребряный либо, как в данном случае, медный. В качестве электролитического раствора 2 может быть использован, например, раствор медного купороса, в который для уменьшения фильтрации через перегородку 7 добавлен желатин, а для предотвращения замерзания при отрицательных температурах добавлен глицерин или поваренная соль. Ионно-проницаемая перегородка 7 обеспечивает постоянство химического состава электролитического раствора 2 вокруг неполяризующегося электрода 3 и предотвращает его смешивание с буровым раствором 6, находящимся в скважине. При этом через перегородку 7 осуществляется электрический контакт между электродами 3 и 4. Корпус 1 снабжен средством выравнивания гидростатического давления в виде компенсатора 8, выполненного из упругого, легко деформирующегося материала, например резины, который обеспечивает выравнивание гидростатического давления внутри корпуса 1 относительно давления бурового раствора 6 и предотвращает разрушение корпуса 1 и пористой перегородки 7, а также предотвращает проникновение бурового раствора 6 сквозь перегородку 7. Выводы измерительного электрода 4 и неполяризующегося электрода 3 подключены к входам блока 9 измерения.

Первый вариант выполнения блока 9 измерения, приведенный на фиг.2, предназначен для использования в автономном устройстве, в котором скважинную часть спускают на бурильной колонне (не показана). Блок 9 в данном варианте содержит усилитель 10, входы которого являются входами блока 9 измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, объединенного общей шиной с первым портом микроконтроллера 12 и запоминающим устройством 13. Второй порт микроконтроллера 12 соединен с выходом блока 14 часов реального времени. Усилитель 10 представляет собой дифференциальный усилитель с большим входным сопротивлением, величина которого на порядок или более превышает сопротивление электролитического раствора 2 и бурового раствора 6, находящегося между электродами 3 и 4 (в том числе и внутри пористой перегородки 7). Питание автономного варианта устройства осуществляется от батареи элементов или аккумуляторов (не показаны).

Второй вариант выполнения блока 9 измерения, приведенный на фиг.3, предназначен для использования в устройстве, в котором скважинную часть спускают на каротажном кабеле (на фигурах не показан), и содержит усилитель 15, входы которого являются входами блока 9 измерения, а выход соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16, объединенного общей шиной с первым портом микроконтроллера 17, второй порт которого соединен с входом телеметрической системы 18. В качестве усилителей 10, 15 может быть использован, например, дифференциальный усилитель INA 141, в качестве АЦП 11, 16 - микросхема AD7893, в качестве запоминающего устройства 13 - микросхема AM29F016, в качестве блока 14 часов реального времени - микросхема PCF8583, а в качестве микроконтроллеров 12, 17 - микросхема АТ87С51.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В зависимости от характеристики исследуемого участка скважины, в частности в зависимости от наличия отклонений от вертикального направления, а также в зависимости от технологии проведения каротажных работ используют первый или второй вариант осуществления способа.

Рассмотрим первый вариант осуществления способа с помощью устройства, в котором скважинную часть спускают на бурильной колонне. Этот вариант используют, преимущественно, при измерении ПС на субгоризонтальных участках скважины. Скважинную часть устройства, включающую измерительные электроды 3, 4 и блок измерения 9, приведенный на фиг.2, закрепляют на конце бурильной колонны и спускают в скважину. Когда скважинная часть устройства достигнет заданной глубины, на которой находится исследуемый участок скважины, начиная с заданного времени, измеряют в дискретные моменты времени текущие значения потенциала ПС. Измерения производят во время подъема бурильной колонны. Разность потенциалов между электродами 3 и 4 поступает на входы усилителя 10 и после усиления преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 11. С выхода АЦП 11 оцифрованные значения поступают в запоминающее устройство 13. Одновременно регистрируют время отсчета, которое определяется цифровым значением, поступающим с выхода блока 14 часов реального времени. Микроконтроллер 12 в соответствии с управляющей программой вырабатывает сигналы управления, в соответствии с которыми осуществляется процесс сбора и регистрации информации. Компьютеризированная наземная каротажная станция (не показана) регистрирует глубину нахождения скважинной части устройства с привязкой ко времени по стандартной методике [Лукьянов Э. Е., Стрельченко В.В. Геолого-технологические исследования в процессе бурения. - М.: Нефть и газ, 1997, рис. 9.5]. После извлечения скважинной части устройства на дневную поверхность данные об измеренных значениях ПС из запоминающего устройства 13 переписывают в память компьютеризированной наземной каротажной станции (не показана) и по двум файлам, один из которых содержит данные о текущих значениях потенциала ПС, соответствующих заданным дискретным моментам времени измерения, а второй - данные о значениях глубины с "привязкой" к тем же моментам времени, определяют зависимость текущих значений потенциала ПС от глубины и строят диаграммы потенциала ПС, которые могут быть выведены на экран монитора или на принтер компьютеризированной наземной каротажной станции (не показана).

Второй вариант осуществления способа с помощью устройства, в котором скважинную часть спускают на каротажном кабеле, используют, преимущественно, при проведении измерений ПС на вертикальных участках скважины. В этом случае, так же, как в вышеописанном, при достижении заданной глубины, начиная с заданного времени, измеряют в дискретные моменты текущие значения потенциала ПС. Разность потенциалов между электродами 3 и 4 поступает на входы усилителя 15 и затем преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 16, после чего данные о результатах измерения по команде микроконтроллера 17 через телеметрическую систему 18 по кабелю (не показан) передаются в компьютеризированную наземную каротажную станцию (на фигурах не показана). Привязка по глубине в этом случае осуществляется известным способом по значениям длины кабеля, пропускаемого через мерный ролик (на фигурах не показан).

Таким образом, предлагаемый способ обладает более широкой областью применения, поскольку обеспечивает высокую точность измерений ПС как при спуске скважинной части устройства с помощью каротажного кабеля, так и при спуске скважинной части с помощью бурильной колонны, что позволяет проводить измерения в скважинах с горизонтальным завершением, при бурении вторых боковых стволов из скважин старого фонда, при наличии сильного влияния теллурических, индустриальных и коррозионных токов. Возможность проведения измерений ПС без использования каротажного кабеля на субгоризонтальных участках скважины способствует также снижению трудоемкости проведения измерений ПС и повышению надежности работы за счет устранения возможности аварий при обрыве кабеля во время синхронного спуска буровой колонны и каротажного кабеля, находящегося в затрубном пространстве. Кроме того, предлагаемый способ измерения ПС обеспечивает возможность параллельно с измерением ПС проводить любые наземные работы на буровой вышке, в том числе и сварочные, так как это не оказывает влияния на точность измерений, что позволяет сократить время простоя буровой установки.