обнаружение границы в пласте

Формула изобретения

1. Способ обнаружения в пласте грунта границы между первой областью пласта, имеющей известное удельное сопротивление, и второй областью пласта, имеющей другое удельное сопротивление, при этом первая область пласта пересечена стволом скважины, заполненным текучей средой с известным удельным сопротивлением, с помощью каротажного прибора, оснащенного некоторым количеством электродов, включая контрольный электрод, причем способ включает в себя этапы, на которых

а) выбирают место нахождения каротажного прибора в стволе скважины;

б) выдвигают предположение о положении границы относительно выбранного места нахождения каротажного прибора, выбирают снаружи ствола скважины одну или более целевых точек относительно выбранного места нахождения и выбирают целевое значение для выбранного параметра в каждой целевой точке;

в) выдвигают предположение о модели, согласно которой каротажный прибор в стволе скважины окружен бесконечным и однородным пластом, имеющим удельное сопротивление, которое равно известному удельному сопротивлению первой области пласта, и определяют, как нужно запитывать, по меньшей мере, два из электродов, чтобы в каждой из целевых точек выбранный параметр имел целевое значение;

г) выбирают контрольный параметр на контрольном электроде;

д) размещают каротажный прибор в выбранном месте нахождения в стволе скважины;

е) определяют в выбранном месте нахождения значение обнаружения контрольного параметра на основании запитывания, по меньшей мере, двух электродов, определенного на этапе в), и

ж) интерпретируют значение обнаружения контрольного параметра с обнаружением границы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых продвигают каротажный прибор по стволу скважины, выбирают одно или более дополнительных мест нахождения каротажного прибора вдоль скважины, повторяют этап е) в каждом из дополнительных мест нахождения, сравнивают значения обнаружения контрольного параметра в разных местах нахождения и выбирают место нахождения каротажного прибора, в котором происходит некоторое характеристическое изменение, и обеспечивают выдачу сообщения о предполагаемом положении границы относительно выбранного места нахождения каротажного прибора как о положении границы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых выдвигают предположение об одном или более альтернативных положений границы относительно выбранного места нахождения каротажного прибора в стволе скважины, для каждого альтернативного положения повторяют этапы б), в) и е), сравнивают значения обнаружения контрольного параметра для разных положений и выбирают положение границы, в котором происходит некоторое характеристическое изменение, и обеспечивают выдачу сообщения о предполагаемом положении границы относительно выбранного места нахождения каротажного прибора как о положении границы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что этап г) дополнительно включает в себя определение опорного значения контрольного параметра в результате запитывания, по меньшей мере, двух электродов, определенного на этапе в), в пласте в соответствии с моделью, допущение по поводу которой сделано на этапе в), и при этом этап ж) включает в себя сравнение значения обнаружения с опорным значением для обнаружения границы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обеспечивают выдачу сообщения о предполагаемом положении границы как о положении границы относительно каротажного прибора в месте его нахождения в стволе скважины, если значение обнаружения контрольного параметра, по существу, равно опорному значению, определенному на этапе г).

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что значение обнаружения контрольного параметра определяют на этапе е) по результатам измерения, во время которого в выбранном месте нахождения запитывают, по меньшей мере, два электрода одновременно.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что значение обнаружения контрольного параметра определяют на этапе е) по результатам измерения, во время которого в выбранном месте нахождения запитывают, по меньшей мере, один из упомянутых, по меньшей мере, двух электродов.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что граница является, по существу, плоскостью, и при котором одну целевую точку выбирают, по существу, в положении зеркального отражения контрольного электрода каротажного прибора в выбранном месте его нахождения, относительно предполагаемого положения упомянутой плоскости.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выбранным параметром в одной из целевых точек является потенциал.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что целевое значение потенциала составляет ноль вольт.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что определяют некоторое количество значений обнаружения контрольного параметра в разных местах нахождения каротажного прибора или для разных предполагаемых положений границы, при этом способ дополнительно включает в себя интерпретацию значений обнаружения контрольного параметра для оценки удельного сопротивления второй области пласта.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что определяют некоторое количество значений обнаружения контрольного параметра в разных местах нахождения каротажного прибора, дополнительно включающий в себя этапы, на которых представляют значения обнаружения контрольного параметра в виде функции расстояния до границы и определяют знак коэффициента отражения =( ₂- ₁)/( ₂+ ₁) по знаку производной упомянутой функции около той точки, соответствующей расстоянию от границы, в которой эта функция пересекает уровень опорного значения контрольного параметра, при этом ₁ и ₂ обозначают удельные сопротивления первой и второй области пласта, соответственно.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что определяют некоторое количество значений обнаружения и опорных значений контрольного параметра для разных предполагаемых положений границы, дополнительно включающий в себя этапы, на которых представляют разность между соответствующими значениями обнаружения и опорными значениями контрольного параметра в виде функции целевого расстояния, и определяют знак коэффициента отражения =( ₂- ₁)/( ₂+ ₁) по знаку производной упомянутой функции около той точки, соответствующей расстоянию от границы, в которой эта функция пересекает нулевой уровень, при этом ₁ и ₂ обозначают удельные сопротивления первой и второй области пласта, соответственно.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу обнаружения в пласте грунта границы между двумя областями пласта. Более конкретно, этот способ относится к обнаружению границы между областями пласта, имеющими разное электрическое удельное сопротивление, при котором используют электрокаротажный прибор, находящийся в стволе скважины, проходящем, по меньшей мере, в одну из областей пласта.

Благодаря достижениям в бурении скважин и соответствующей прикладной технологии, существует растущая потребность в способах, которые могут обеспечить предоставление весьма конкретной информации о грунтовом пласте, окружающем ствол скважины. Местоположение границы между областями пласта, имеющими разные свойства, важно для геолога или бурового инженера. Конкретный интерес представляет возможность обнаружения наличия такой границы около ствола скважины. Такую информацию можно использовать для соответствующего управления бурением. Например, современная технология бурения позволяет бурить горизонтальную скважину по существу в горизонтальную область нефтеносной свиты. Эта нефтеносная свита может быть заключена, например, между областями водоносной свиты и в таком случае весьма желательно управлять буровым долотом таким образом, чтобы оно не пересекало границу между областью нефтеносной свиты и областью водоносной свиты.

Другие примеры, в которых желательно обнаружение границы между областями пласта, включают в себя обнаружение оптимальных мест для отбора керна или обнаружение мест в стволе скважины, где необходима обсадная труба.

Граница в пласте грунта в общем случае разделяет области пласта, которые существенно отличаются, по меньшей мере, одним характеристическим свойством. Чтобы можно было обнаружить границу посредством измерения, это измерение должно быть чувствительным к упомянутому характеристическому свойству. Настоящее изобретение относится к ситуации, в которой характеристическим свойством является электрическое удельное сопротивление, которое в нижеследующем описании и в формуле изобретения будет именоваться просто удельным сопротивлением.

Измерения удельного сопротивления используют в данной области техники для характеристики грунтового пласта вдоль ствола скважины, и такие измерения обычно проводят с помощью каротажных приборов либо во время, либо после бурения ствола скважины. Например, области нефтеносной свиты в общем случае проявляют большее удельное сопротивление, чем водоносные области. Следовательно, внезапное изменение измеренного удельного сопротивления в некотором месте в стволе скважины является типичным указанием на то, что в этом месте ствол скважины пересекает границу между областями пласта. Вместе с тем, желательно обнаруживать границу на некотором расстоянии от пласта с тем, чтобы исключить необходимость действительного пересечения ствола скважины с этой границей.

В данной области техники известно несколько типов каротажных приборов для измерения удельного сопротивления. К одному конкретному типу относятся так называемые резистивные каротажные приборы, которые содержат некоторое количество электродов. Эти каротажные приборы эксплуатируют, излучая электрические токи из одного или более электродов через ствол скважины в пласт, а получаемый электрический потенциал (или электрический ток) измеряют в некоторых электродах на каротажном приборе. Определение удельного сопротивления на основании этих измерений проводят посредством так называемого процесса инверсии.

В патенте США №3838335 описан способ определения наличия горизонтальной подповерхностной границы и расстояния до нее с использованием каротажного прибора в вертикальном стволе скважины. Этот способ предусматривает излучение тока из единственного токового электрода (называемого также питающим электродом) на каротажном приборе и измерение потенциала на двух измерительных электродах, которые расположены на одинаковом расстоянии (порядка более 100 м) выше и ниже токового электрода. Измерительные электроды имеют длину, которая составляет около одной десятой расстояния, на котором они расположены, от токового электрода. Горизонтальная граница, находящаяся перед каротажным прибором, вызывает появление разности потенциалов между измерительными электродами, которую используют для определения глубины горизонтальной границы.

В патенте США №5038108 описан способ определения изнутри ствола скважины расстояния до границы, которая проходит параллельно стволу скважины. При осуществлении этого известного способа используют каротажный прибор с единственным излучающим электродом, а измерения удельного сопротивления проводят с помощью совокупности обнаруживающих электродов, расположенных на постепенно увеличивающихся расстояниях от излучающего электрода. Результаты измерений сравнивают с заранее полученными опорными кривыми, устанавливая таким образом расстояние до границы.

Настоящее изобретение относится к ситуации, в которой имеются заранее полученные знания об удельном сопротивлении области пласта, окружающей ствол скважины. Удельное сопротивление может быть известно, например, из отдельных измерений в том же стволе скважины или в соседнем стволе скважины или из оценки, основанной на геологических данных.

Настоящее изобретение также относится к ситуации, в которой в окрестности ствола скважины присутствует другая область пласта. Относительная ориентация границы между двумя областями пласта относительно ствола скважины часто известна или может быть оценена на основании других имеющихся данных, например, полученных из сейсмических измерений. Две области пласта будут именоваться в нижеследующем описании и в формуле изобретения первой и второй областями пласта, причем первая область пласта - это область, окружающая ствол скважины в месте нахождения каротажного прибора. Первая область пласта отделена от более удаленной второй области пласта границей, которая имеет определенную относительную ориентацию, т.е. ориентацию относительно ствола скважины. Эта относительная ориентация в общем случае является параллельной, перпендикулярной или любой другой ориентацией. Первая область пласта имеет известное удельное сопротивление ₁, а вторая область имеет другое удельное сопротивление _{2 1}.

Существует потребность в эффективном способе обнаружения такой границы.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ обнаружения с некоторого расстояния наличия границы между областями пласта, имеющими разные удельные сопротивления.

С этой целью предлагается способ обнаружения в пласте грунта границы между первой областью пласта, имеющей известное удельное сопротивление, и второй областью пласта, имеющей другое удельное сопротивление, при этом первая область пласта пересечена стволом скважины, заполненным текучей средой с известным удельным сопротивлением, с помощью каротажного прибора, оснащенного некоторым количеством электродов, включая контрольный электрод, причем способ включает в себя этапы, на которых:

а) выбирают место нахождения каротажного прибора в стволе скважины;

б) выдвигают предположение о положении границы относительно выбранного места нахождения каротажного прибора, выбирают снаружи ствола скважины одну или более целевых точек относительно выбранного места нахождения и выбирают целевое значение для выбранного параметра в каждой целевой точке;

в) выдвигают предположение о модели, согласно которой каротажный прибор в стволе скважины окружен бесконечным и однородным пластом, имеющим удельное сопротивление, которое равно известному удельному сопротивлению первой области пласта, и определяют, как нужно запитывать, по меньшей мере, два из электродов, чтобы в каждой из целевых точек выбранный параметр имел целевое значение;

г) выбирают контрольный параметр на контрольном электроде;

д) размещают каротажный прибор в выбранном месте нахождения в стволе скважины;

е) определяют в выбранном месте нахождения значение обнаружения контрольного параметра на основании запитывания, по меньшей мере, двух электродов, определенного на этапе в);

ж) интерпретируют значение обнаружения контрольного параметра, чтобы обнаружить границу.

Заявитель установил, что границу можно обнаружить с некоторого расстояния путем использования целевых точек в пласте, окружающем прибор, выбор которых осуществляется в зависимости от известной или ожидаемой относительной ориентации каротажного прибора и границы. Термин "целевая точка" будет употребляться в данном описании и в формуле изобретения для обозначения предварительно определенного положения в пласте, в котором в определенных условиях можно обеспечить выбранное целевое значение некоторого электрического свойства. Целевое значение электрического свойства в целевой точке можно обеспечить, если запитывать каротажный прибор определенным образом. Термин "запитывать" употребляется в данном описании и в формуле изобретения для обозначения некоторых электрических параметров, например тока, плотности тока или потенциала, на одном или более электродов каротажного прибора.

Можно определить, как нужно запитывать каротажный прибор, чтобы обеспечить некоторое целевое значение некоторого электрического параметра в некоторой целевой точке, если известны все существенные в данном случае параметры прибора и его окружающей среды. Для решения этой проблемы нужна модель. Простой моделью является модель каротажного прибора известной геометрии в бесконечно большом и однородном пласте, имеющем известное удельное сопротивление. Другая модель может дополнительно включать в себя ствол скважины конечного диаметра, заполненный текучей средой с известным удельным сопротивлением, например буровым раствором, а также может для удобства включать в себя определенный участок ствола скважины и положение каротажного прибора в стволе скважины. Последней модели во многих практических случаях достаточно, чтобы определить, как нужно запитывать прибор, если ближайшая граница со второй областью пласта находится на достаточно большом расстоянии от прибора, например на расстоянии, в 5 раз превышающем длину каротажного прибора (максимальное расстояние между любыми двумя электродами) или большем. В этом случае первую область пласта можно считать бесконечно большой областью пласта.

Для описания ситуации, в которой граница удельного сопротивления находится на расстоянии нескольких метров или менее от каротажного прибора, находящегося в стволе скважины, можно использовать еще более сложную модель.

Кроме того, некоторый электрический параметр на контрольном электроде прибора можно выбрать в качестве контрольного параметра и можно определить, какое значение имеет этот дополнительный параметр, если каротажный прибор запитывают в окружающей среде, соответствующей выбранной модели.

Настоящее изобретение можно использовать, например, для эффективного определения расстояния от каротажного прибора до некоторой границы в соседнем пласте грунта. Оно также может быть использовано, чтобы определить, достиг ли каротажный прибор, который продолжают опускать по стволу скважины, предварительно определенного расстояния от такой границы.

Теперь изобретение будет описано на примере со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1 условно показан принцип зеркального отражения для точечного электрода в подземном пласте;

на фиг.2 условно показан принцип зеркального отражения для каротажного прибора, содержащего точечные электроды, в подземном пласте;

на фиг.3 условно показан первый пример потенциала в бесконечном однородном пласте вдоль оси z, показанной на фиг.2;

на фиг.4 условно показан второй пример потенциала в бесконечном однородном пласте вдоль оси z, показанной на фиг.2;

на фиг.5 условно показан пример потенциала на контрольном электроде, представленного в виде функции расстояния до границы;

на фиг.6 условно показан конкретный вариант осуществления каротажного прибора в подземном пласте грунта для работы в соответствии со способом согласно изобретению;

на фиг.7 условно показан пример расчетного потенциала в однородном пласте грунта в виде функции расстояния от контрольного электрода вдоль оси z, показанной на фиг.6, для случаев запитывания (а) только электрода 61, (b) только электрода 62 или (с) обоих этих электродов одновременно;

на фиг.8 условно показан пример расчетного потенциала на контрольном электроде 13, показанном на фиг.6, в зависимости от расстояния до границы 56 для трех разных значений удельного сопротивления ₂ второй области 55 пласта.

Перед изложением описания целесообразно сделать ссылку на книгу "Прикладная геофизика" ("Applied Geophysics"), издание второе, авторы У.М.Телфорт, Д.П.Гелдарт, Р.Э.Шерифф (W.M.Telfort, D.P.Geldart, R.E.Sheriff), издательство "Кембридж Юниверсити Пресс" (Cambridge University Press), 1990, в частности на с.522-529. В этой книге описаны основные аспекты теории, обычно применяемой для описания электрических параметров в подземном пласте в связи с запитываемым электродом. В частности, показано, как можно учесть влияние границы в окрестности электрода путем использования электрического зеркального изображения. Перед рассмотрением настоящего изобретения будет приведена сводка основных положений этой теории, а при ее рассмотрении будут употребляться термины и символы, адаптированные к данному изобретению.

В однородном пласте, имеющем удельное сопротивление (единица измерения: Ом·м), электрический потенциал Ф (единица измерения: В) на расстоянии r (единица измерения: м) от точечного электрода, излучающего ток I (единица измерения: А), задается уравнением:

Отметим, что потенциал Ф выбирают так, чтобы он исчезал на бесконечно большом расстоянии г, и если специально не указано иное, аналогичное условие остается в силе для всех остальных потенциалов, о которых идет речь в данном описании и в формуле изобретения.

Переходим к рассмотрению фиг.1а и 1b. На фиг.1а условно показан подземный пласт 1, в котором токовый излучающий точечный электрод 2 расположен в первой области 4 пласта, имеющей известное удельное сопротивление ₁. В пласте 1 около электрода 2 присутствует вторая область 5 пласта, имеющая удельное сопротивление ₂ и отделенная от первой области 4 пласта границей 6.

Нужно определить электрический потенциал в точке 8 в первой области 4 пласта. С этой целью границу заменяют зеркальным электродом 2', излучающим ток подходящей выбранной величины, в области 4' пласта, имеющей такое же удельное сопротивление ₁, как первая область 4 пласта. Это показано на фиг.1b, где положение границы 6 теперь указано пунктирной линией. Зеркальный электрод 2' находится в положении геометрического зеркального изображения электрода 2 относительно границы 6.

Потенциал Ф, генерируемый электродом 2 в точке 8 в пласте 4 задается уравнением:

где

r₈ - расстояние между электродом 2 и точкой 8,

r₈' - расстояние между зеркальным изображением 2' электрода 2 и точкой 8, равное расстоянию между зеркальной точкой 8' точки 8 и электродом 2,

I - ток, излучаемый электродом 2.

Другие переменные имеют тот же смысл, что и прежде. Безразмерную переменную называют коэффициентом отражения или контрастом удельного сопротивления.

Потенциал в точке 8 в соответствии с уравнением 2 представляет собой сумму, состоящую из двух частей:

Первая часть Ф_{8, одн}= ₁I/4 r₈ равна потенциалу, обусловленному электродом 2 в бесконечном однородном пласте, а вторая часть Ф₈ , _{на границе}= ₁ I/4 r₈' соответствует влиянию границы, которое можно рассматривать как потенциал, обусловленный зеркальным электродом 2'. Отметим также, что

т.е. та часть потенциала в точке 8, которая обусловленная влиянием границы, равна потенциалу, который создал бы электрод 2 в зеркальной точке 8' в однородном бесконечном пласте с удельным сопротивлением ₁, причем упомянутый потенциал умножен на коэффициент .

Теперь обратимся к фиг.2а и 2b, где условно показан каротажный прибор 10, содержащий три точечных электрода 11, 12, 13 и находящийся в подземном пласте 1, который образован первой и второй областями 4 и 5 подземного пласта, разделенными границей 6. Для обозначения одних и тех же объектов по всему тексту описания и формулы изобретения используются одни и те же позиции. Каротажный прибор 10 показан находящимся непосредственно в первой области 4 пласта в соответствии с моделью, в которой ствол скважины отсутствует.

Первый и второй электроды 11 и 12 запитываются с обеспечением возможности излучения токов I₁ и I₂, соответственно. Влияние границы на электрические параметры в точке 8 можно вычислить с помощью электродов 11', 12' и зеркальной точки 8'.

Результирующий суммарный потенциал Ф_{8, сум} в точке 8 можно вычислить как сумму потенциала Ф_{8, 1}, обусловленного первым электродом 11, и потенциала Ф_{8, 2}, обусловленного вторым электродом 12, при этом

где

i=1, 2 - индекс, обозначающий электроды 11 и 12, соответственно,

r_{8, i} - расстояние между точкой 8 и соответствующим электродом i,

r_{8, i}' - расстояние между точкой 8' и соответствующим электродом i, равное расстоянию между точкой 8 и соответствующим зеркальным электродом.

Другие переменные имеют тот же смысл, что и прежде.

По аналогии с уравнением 4, Ф_{8, сум} также состоит из двух частей, обусловленных вкладом однородного пласта и влиянием границы (зеркальным отражением), т.е.

где

Ф_{8, одн} - потенциал в точке 8, обусловленный электродами 11 и 12 в однородном бесконечном пласте с удельным сопротивлением ₁, причем Ф_{8, одн} также называют однородным потенциалом в точке 8, а

Ф₈, _{на границе} - потенциал в точке 8, обусловленный влиянием границы 6.

Применимо также и уравнение 5.

Теперь выберем вместо точки 8 некоторую точку на самом приборе, а именно в месте нахождения точечного электрода 13 (которое на фиг.2b совпадает с началом декартовой системы координат, так что электрод 13 находится в точке с координатами x=y=z=0, граница находится в точке с координатами х=у=0, z=d, а зеркальное изображение 13' электрода 13 находится на оси z в точке х=у=0, z=2d. Отметим, что ось х на фиг.2 направлена перпендикулярно плоскости чертежа). Суммарный потенциал в месте нахождения электрода 13 имеет вид:

Теперь, со ссылками на фиг.2 и 3, в свете этих чертежей будут рассмотрены некоторые из основных признаков настоящего изобретения. На фиг.3 показан пример потенциала Ф_одн , имеющего место вдоль оси z, показанной на фиг.2, и обусловленного запитыванием первого и второго электродов 11 и 12, для бесконечного пласта с удельным сопротивлением ₁. Должно быть очевидно, что в таком пласте рассматриваемый потенциал имеет значение Ф_одн=Ф _сум. Кроме того, два тока I₁ и I₂ в электродах 11 и 12 можно выбрать так, чтобы потенциал Ф _одн имел предварительно определенные значения в двух выбранных точках в таком пласте, скажем, в точке x=y=z=0 (на электроде 13) и в целевой точке (х=у=0, z=2d_t) в однородном пласте. Если оба удельных сопротивления - ₁ и ₂ - известны (а с ними - и контраст удельного сопротивления), токи I₁ и I₂ можно, например, выбрать таким образом, что

где Ф₀ - выбранное значение потенциала.

Если прибор запитывают одинаковыми токами I₁ и I₂ в окрестности границы, суммарный потенциал на электроде 13 - Ф_{13, сум} будет отличаться от однородного потенциала Ф_{13, одн}. Значение потенциала Ф_{13, сум}, в принципе, можно определить посредством подходящего измерения на электроде 13. Следовательно, электрод 13 можно назвать контрольным электродом. В нижеследующем тексте будет употребляться надстрочное обозначение "кон" при указании потенциала на контрольном электроде, т.е. Ф^кон=Ф₁₃.

Если граница находится в плоскости х, как показано на фиг.2b, суммарный потенциал на контрольном электроде 13 задается уравнением 8.

В связи с уравнением 9 нужно отметить, что суммарный потенциал на контрольном электроде 13 будет исчезать, если и только если граница находится на расстоянии z=d_t от электрода 13, так что целевая точка (х=у=0, z=2d_t) совпадает с положением зеркального электрода 13'. Таким образом, измерение потенциала на контрольном электроде 13 можно использовать для обнаружения границы. В частности, если измерение в вышеупомянутых условиях дает нулевой потенциал, то можно сделать вывод, что граница находится на расстоянии d _t.

Если известно только ₁, то, по меньшей мере, наличие границы можно обнаружить следующим образом. Можно выбрать значение для ₂ (а значит - и ). Если, воспользовавшись этим значением, можно определить, что потенциал на электроде 13 является нулевым, то ясно, что граница есть. Однако если выбранное значение ₂ отличается от истинного значения, то таким образом получается неправильно определенное расстояние.

Обратимся теперь к фиг.4, где показан еще один пример потенциала вдоль оси z, изображенной на фиг.2, для однородного и бесконечного пласта с удельным сопротивлением ₁. В этом примере потенциал в целевой точке (х=у=0, z=2d_t) выбран равным нулю. Преимущество этой формы кривой потенциала заключается в том, что для обнаружения границы на расстоянии d_t необязательно знать значение ₂ (тогда становится неважным и значение в последнем члене уравнения 8).

Обратимся теперь к фиг.5, где проиллюстрировано, как можно обнаружить границу в случае, когда однородный потенциал выбран так, как показано на фиг.4. Предполагается, что электроды запитываются у границы такими же токами, какие необходимы для обеспечения распределения потенциала, показанного на фиг.3 в однородном случае. Разность между суммарным потенциалом Ф_сум ^кон и однородным потенциалом Ф_одн ^кон на контрольном электроде 13 для этого случая условно показана на фиг.5 в виде функции расстояния d от границы до контрольного электрода 13 вдоль оси z, показанной на фиг.2b. Очевидно, что на больших расстояниях 41, т.е. тогда, когда граница находится далеко от каротажного прибора, разность Ф_сум ^кон-Ф_одн ^кон равна нулю. Если граница приближается с больших расстояний, то разность Ф_сум ^кон-Ф _одн ^кон сначала принимает значения, отличные от нуля, а затем снова стремится к нулю. Когда наблюдается пересечение нулевого уровня в точке 43 функцией Ф_сум ^кон -Ф_одн ^кон, можно сделать вывод, что контрольный электрод находится на расстоянии d_t от границы, которое составляет половину целевого расстояния. Вместе с тем, отметим, что это соотношение жестко выдерживается лишь с учетом предположения, в соответствии с которым электроды являются точечными.

Обратимся теперь к фиг.6, где условно показан первый конкретный вариант осуществления каротажного прибора, предназначенного для эксплуатации в соответствии со способом, предложенным в настоящем изобретении. В пласте 51 грунта имеются первая и вторая области 54 и 55 пласта, разделенные границей 56. Удельное сопротивление первой области пласта известно и составляет 10 Ом·м. Первую область 54 пласта пересекает ствол 57 скважины, имеющий диаметр 1,52 см. В продольном направлении вдоль оси 58 ствола 57 скважины и с обеспечением центрирования относительно этой оси можно перемещать каротажный прибор 60. Каротажный прибор 60 имеет диаметр 1,02 см и содержит три цилиндрических металлических электрода 61, 62, 63. Электрод 63 выбран для использования в качестве контрольного электрода. Осевое расстояние между центрами первого и второго электродов 61 и 62 составляет 98,30 см, а осевое расстояние между электродами 62 и 63 составляет 50,80 см. Как обычно в данной области техники, электроды 61 и 62 подключены к подходящему запитывающему оборудованию (не показано), которое подключено к дополнительному электроду, находящемуся на или у поверхности, для запитывания либо одного, либо обоих скважинных электродов 61, 62 в соответствии с потребностью. Ствол скважины заполнен буровым раствором, имеющим удельное сопротивление 0,02 Ом·м. Угол между осью 58 ствола 57 скважины и границей 56 в этом примере является достаточно малым, чтобы можно было считать эту границу квазипараллельной оси 58, скажем, =2,87 градуса.

Теперь рассмотрим первый пример применения способа согласно настоящему изобретению. Сначала выбирают место нахождения каротажного прибора 60 в стволе 57 скважины, скажем, место 65. Затем предполагают, что граница считается ориентированной, по существу, параллельно стволу скважины. Выбирают целевую точку 67 относительно каротажного прибора 60, находящегося в месте 65, скажем, на целевом расстоянии 2d_t=254 см от контрольного электрода 63, на линии 68, перпендикулярной оси 58. В нижеследующем тексте линия 68 также будет именоваться осью z, при этом в месте нахождения центра контрольного электрода 63 всегда z=0. В качестве параметра выбирают электрический потенциал и для целевой точки 67 выбирают целевое значение электрического потенциала, составляющее 0 В.

Потом предполагают в соответствии с моделью, в которой каротажный прибор 60 - в стволе скважины, имеющем такой же диаметр, как ствол 57 скважины, и удельное сопротивление, как у бурового раствора, окружен бесконечным и однородным пластом, имеющим удельное сопротивление 10 Ом·м, которое равно удельному сопротивлению первой области 54 пласта. Пользуясь этой моделью, можно определить, что в целевой точке 67 можно обеспечить целевое значение 0 В, если первый и второй электроды 61 и 62 запитываются в соответствии с таблицей 1.

Значения, приведенные в таблице 1, вычислены путем решения уравнения Лапласа для предполагаемой модели. Это решение найдено посредством численного моделирования статического электрического поля с помощью подходящего программного обеспечения. Работа этого программного обеспечения основана на методе трехмерных конечных разностей.

Таблица 1.
Пример запитывающих токов и потенциалов на первом и втором электродах в соответствии с однородной моделью
Электрод	Потенциал (В)	Ток (А)
1-й электрод 61	7,02	0,39
2-й электрод 62	-6,68	-0,46

Должно быть ясно, что целевое значение можно обеспечить и в случае, если потенциалы и токи, приведенные в таблице 1, умножены на некоторый общий коэффициент.

На фиг.7 показан вычисленный потенциал Ф_одн (значения которого отложены вдоль оси ординат и выражены в вольтах) в пласте, представленный в виде функции расстояния от контрольного электрода вдоль оси z, показанной на фиг.6, для случаев запитывания (а) только электрода 61, (b) только электрода 62 или (с) обоих этих электродов одновременно согласно таблице 1 в однородном пласте, соответствующем принятой модели. Можно заметить, что для кривой (с) потенциал равен нулю в целевой точке, находящейся на расстоянии 254 см от контрольного электрода 63.

Возвращаясь к рассмотрению первого примера способа согласно настоящему изобретению в связи с фиг.6, отмечаем, что потенциал на контрольном электроде 63 выбран в качестве контрольного параметра.

Может оказаться выгодным определить также опорное значение Ф_одн ^кон этого потенциала для случая запитывания электродов 61 и 62 в соответствии с таблицей 1. Это можно сделать посредством вычислений или экспериментального запитывания прибора в некотором месте нахождения в стволе 57 скважины в соответствии с используемой моделью (в частности, при этом ближайшая граница должна быть достаточно далеко, например на расстоянии, в 5 раз превышающем длину каротажного прибора) и путем измерения потенциала на контрольном электроде.

Затем помещают каротажный прибор в выбранном месте 65 в стволе скважины. Электроды 61 и 62 запитывают одновременно в упомянутом месте путем излучения токов в соответствии с таблицей 1 и измеряют потенциал на контрольном электроде, который называется значением обнаружения. Если значение обнаружения отличается от опорного значения, следует сделать вывод, что граница находится в окрестности каротажного прибора. Это также проиллюстрировано на фиг.8.

На фиг.8 показаны результаты проведения численного моделирования потенциала на контрольном электроде в случае, если граница 56, показанная на фиг.6, находится вблизи каротажного прибора и если прибор запитывают такими же токами на электродах 61 и 62, как те, которые заданы в таблице 1. Потенциал (его значения отложены вдоль оси ординат) на контрольном электроде 63 показан в виде разности Ф_сум ^кон-Ф_одн ^кон между значением обнаружения и опорным значением, представляющей собой функцию расстояния d (его значения отложены вдоль оси абсцисс) вдоль оси z между контрольным электродом и границей. Проведены моделирования для случаев, когда удельное сопротивление ₂ во второй области 55 пласта составляют: (а) 5 Ом·м; (b) 50 Ом·м; (с) 200 Ом·м.

Кривые, определенные для всех случаев, качественно согласуются с кривой, показанной на фиг.5. Должно быть ясно следующее: тот факт, что общая форма кривой а) оказывается перевернутой относительно кривых b) и с), является результатом разной относительной величины удельных проводимостей в первой и второй областях пласта; в случае кривой а), эта форма соответствует неравенству ₁> ₂, тогда как для кривых b) и с) имеет место неравенство ₁< ₂.

Во всех случаях потенциал Ф_сум ^кон-Ф_одн ^кон пересекает нулевой уровень. Если пересечение нулевого уровня можно наблюдать экспериментально, этот факт сможет послужить хорошим указанием положения границы. Пересечение нулевого уровня всеми тремя кривыми на фиг.8 наблюдается приблизительно на одном и том же расстоянии d от границы, находящемся в диапазоне между 110 см и 120 см. Это согласуется с рассуждениями, приведенными в связи с фиг.4 и 5. Пересечение нулевого уровня наблюдается на несколько меньших расстояниях, чем половина целевого расстояния 2d_t=254 см. Это происходит из-за того, что при попытках численного моделирования учитывался угол =2,87 градуса, и из-за конечных размеров электродов, существующих в действительности вместо точечных электродов. Должно быть понятно, что иногда удобно использовать точечные электроды в теоретическом описании аналогично тому, как это сделали Телфорт и др., а также как сделано выше при обсуждении фиг.1-5, однако в действительности точечные электроды не существуют. Должно быть ясно, что в действительности целевое расстояние 2d_t будет выбрано надлежащим образом, если предполагается, что граница расположена на расстоянии, которое несколько меньше, чем половина целевого расстояния, но по-прежнему можно сказать, что целевая точка имеет, по существу, положение зеркального изображения контрольного электрода относительно предполагаемого положения плоскости.

Обнаружено, что результаты, аналогичные тем, которые рассмотрены в связи с фиг.7 и 8, получены, если при попытках моделирования используют целевое расстояние 2d _t=508 см, а также используют те же параметры геометрии и окружающей среды каротажного прибора.

Кроме того, должно быть понятно, что потенциал на контрольном электроде также можно определять для двух случаев, в которых запитывают лишь один из электродов 61 и 62 в окрестности границы. Потенциал, обуславливаемый одновременным запитыванием электродов, как показано на фиг.8, можно вычислить, исходя из потенциалов, определенных для этих двух случаев.

Следовательно, значение обнаружения потенциала на контрольном электроде тоже можно определить по двум измерениям, при которых электроды 61 и 62 запитывают один после другого, и при этом в каждом случае измеряют потенциал на контрольном электроде.

Снова возвращаясь к рассмотрению фиг.6, отметим, что также может оказаться желательным определение места в стволе 57 скважины, в котором каротажный прибор находится на предварительно определенном расстоянии от границы 56. С этой целью можно продвинуть каротажный прибор из места 65 в другое место нахождения (не показано) вдоль ствола 57 скважины. Электроды 61 и/или 62 можно оставить в запитываемом состоянии во время перемещения прибора или их можно запитать снова теми же токами, когда будет достигнуто новое место нахождения. На новом месте нахождения снова измеряют значение обнаружения потенциала на контрольном электроде. Это измерение можно повторять для некоторого количества мест нахождения в стволе скважины, а значения обнаружения в разных местах нахождения можно сравнивать друг с другом.

Значения обнаружения можно должным образом сравнивать в виде функции места нахождения, чтобы определить то место нахождения, где происходит некоторое характеристическое изменение. Характеристическим изменением может быть, например, максимум, минимум или - если определено опорное значение контрольного параметра - пересечение уровня опорного значения значением обнаружения. В данном примере, где потенциал на контрольном электроде 63 контролируется как функция места нахождения с одновременным поддержанием запитывающих токов электродов 61 и 62 постоянными, характеристическим изменением является пересечение нулевого уровня разностью значения обнаружения и опорного значения. В связи с местом нахождения каротажного прибора в стволе скважины, где это пересечение нулевого уровня наблюдается, можно обеспечить выдачу сообщения о том, что граница находится в предполагаемом положении относительно этого места нахождения.

В еще одном приложении настоящего изобретения может оказаться желательным определение расстояния до границы от некоторого определенного места нахождения каротажного прибора в стволе скважины. Этого можно достичь, выдвигая предположение о существовании некоторого количества альтернативных положений границы на разных расстояниях от каротажного прибора, выбирая целевые точки и целевые параметры (например, потенциал), соответствующие альтернативным положениям, и повторяя для каждого альтернативного положения этапы способа применительно к одному и тому же месту нахождения в стволе скважины. Для каждого из таких положений получают значение обнаружения и, предпочтительно, соответствующее опорное значение, а потом можно сравнить значения обнаружения, чтобы определить предполагаемое положение, в котором происходит некоторое характеристическое изменение. Этим характеристическим изменением может быть, например, пересечение нулевого уровня разностью значения обнаружения и соответствующего опорного значения потенциала на контрольном электроде как функция расстояния до предполагаемой границы. В связи предполагаемым положением границы, где это пересечение нулевого уровня наблюдается, можно обеспечить выдачу сообщения о том, что именно это положение является положением границы относительно места нахождения каротажного прибора.

Дополнительным параметром, который можно определять в конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения, является удельное сопротивление ₂ второй (отдаленной) области пласта. Когда в процессе скважинных измерений, например в случае измерения в некотором количестве разных мест нахождения каротажного прибора в стволе скважины или в случае использования разных предполагаемых положений границы при фиксированном месте нахождения каротажного прибора, определено некоторое количество значений обнаружения контрольного параметра, можно интерпретировать эти значения обнаружения, чтобы оценить удельное сопротивление ₂ второй области пласта.

Например, обратимся снова к фиг.8. Три кривые, отображающие зависимость потенциала (Ф_сум ^кон-Ф_одн ^кон ) на контрольном электроде от расстояния до границы, показанные на этом чертеже, связаны с разными удельными сопротивлениями ₂ второй области пласта. Каждая кривая отображает потенциал, обнаруживаемый на контрольном электроде, если граница 56, показанная на фиг.6, находится вблизи каротажного прибора, и если этот прибор запитывают такими же токами на электродах 61 и 62, как те, которые заданы в таблице 1.

В случае практической реализации, сразу же после определения расстояния до границы в соответствии с изобретением, можно построить график функции, отображающей зависимость измеренных значений обнаружения потенциала от расстояния до границы. Например, когда разность Ф_сум ^кон-Ф_одн ^кон между значением обнаружения и опорным значением построена так, как это показано на фиг.8, можно затем определить удельное сопротивление ₂ по наклону этой функции в точке пересечения нулевого уровня (т.е. на том расстоянии, на котором значение обнаружения контрольного параметра пересекает уровень опорного значения, которое имел бы контрольный параметр в однородном пласте) с учетом известного удельного сопротивления ₂ первой области пласта.

Когда фактическое значение удельного сопротивления ₂ оказывается ненужным, можно использовать знак наклона упомянутой функции (положительный знак для кривой, значения которой возрастают с увеличением расстояния до границы, или отрицательный знак для убывающей кривой), чтобы получить информацию о знаке коэффициента отражения =( ₂- ₁)/( ₂+ ₁), а значит, и об относительной величине удельных сопротивлений ₁ и ₂. Этот знак наклона эквивалентен знаку первой производной кривой.

Должно быть ясно, что информацию об удельном сопротивлении ₂ второй области пласта можно также получить в результате некоторого количества измерений с использованием разных предполагаемых положений границы при фиксированном месте нахождения каротажного прибора в стволе скважины. В предпочтительном варианте используют целевые точки, расположенные вдоль прямой линии, пересекающей контрольный электрод. Для каждой целевой точки можно получить значение обнаружения и опорное значение контрольного параметра. Данные измерения можно интерпретировать, например, путем построения графика функции, отображающей зависимость разности, получаемой в соответствующих парах значений обнаружения и опорных значений, от целевого расстояния, а результаты интерпретации можно отобразить на графике, аналогичном фиг.8. Упомянутая функция пересекает нулевой уровень, когда целевое расстояние примерно вдвое превышает фактическое расстояние до границы. С учетом известного удельного сопротивления ₁ по наклону упомянутой функции вблизи точки пересечения нулевого уровня или по знаку этого наклона можно судить о значении ₂ или о знаке коэффициента отражения .

Осуществить способ согласно настоящему изобретению можно и с использованием других контрольных параметров.

Для одного типа приложения, уже рассмотренного выше, контрольным параметром является потенциал на контрольном электроде. Для удобства контрольный электрод в этом случае является пассивным электродом.

Другим подходящим контрольным параметром может быть ток на контрольном электроде. В этом случае удобен контрольный электрод, являющийся активным электродом, который можно запитывать некоторым контрольным током. Может оказаться выгодным так выбирать токи запитывания каротажного прибора для однородного случая, чтобы контрольный ток исчезал, и отмечать соответствующий потенциал на контрольном электроде как однородный потенциал. Тогда можно обнаруживать границу, например, повышая однородный потенциал на контрольном электроде с помощью контрольного тока, а также продвигая каротажный прибор вдоль ствола скважины с одновременным поиском пересечения нулевого уровня контрольным током.

В процессе измерения расстояния до границы может оказаться необходимым изменение относительной силы токов на запитываемых электродах. В этом случае может оказаться полезным определение набора разных опорных значений контрольного параметра по отдельности. Подходящим экспериментальным методом является следующий. Прибор помещают в стволе скважины в месте, где он окружен достаточно большим и однородным пластом, имеющим свойства первой области пласта. Запитывают электроды и систематически изменяют относительную силу токов. Например, если имеются два запитываемых электрода, то ток одного электрода поддерживают постоянным, а ток второго электрода изменяют, скажем, придавая ему величину первого тока, умноженную на коэффициент от -0,2 до -2,0. Этот диапазон может зависеть от геометрии прибора, прогнозируемого положения и ориентации границы, а также удельных сопротивлений первой и второй областей пласта. Потенциал на контрольном электроде регистрируют как функцию второго тока и таким образом получают набор опорных значений для диапазона относительных сил тока на запитываемых электродах. Альтернативный способ получения таких же результатов заключается в запитывании двух электродов по отдельности с изменением силы тока в каждом случае в некотором диапазоне. В обоих случаях повторно измеряют потенциал на контрольном электроде, исходя из чего можно получать опорные значения как функцию отношения сил токов.

Относительную силу токов запитываемых электродов также можно изменять непрерывно, если нужно обнаружить границу в процессе продвижения прибора вдоль скважины.

В еще одном варианте приложения настоящего изобретения выбирают более одной целевой точки в пласте. Например, установлено, что границу, которая согласно предположению ориентирована перпендикулярно оси каротажного прибора (и ствола скважины), можно обнаружить, если выбраны 4 целевые точки, расположенные приблизительно в плоскости предполагаемой границы, и если целевое значение потенциала в целевых точках является одним и тем же. Чтобы можно было обеспечить некоторое значение потенциала в четырех целевых точках, каротажный прибор предпочтительно оснащают, по меньшей мере, четырьмя электродами, которые можно запитывать.

Должно быть ясно, что при осуществлении способа согласно настоящему изобретению электроды можно запитывать постоянным током или переменным током и что контрольный параметр в общем случае будет отражать частоту запитывающего тока. В предпочтительном варианте можно использовать переменный ток низкой частоты, например имеющий частоту 60 Гц или менее, что предотвращает результирующее смещение носителей заряда и связанные с этим эффекты.

Для удобства можно придать контрольному электроду форму кнопочного электрода или обычного токового фокусирующего электрода. Это может оказаться преимуществом в случае с угловой ориентацией границы.

Термин "ствол скважины" употребляется в описании и в формуле изобретения как синоним термина "скважина".