способ электрического каротажа обсаженных скважин

Формула изобретения

1. Способ электрического каротажа обсаженных скважин, в котором осуществляют подачу электрического тока к обсадной колонне от генератора через первый токовый электрод, создают и поддерживают экстремум потенциала электрического поля ниже первого токового электрода в сторону забоя скважины при помощи автокомпенсатора, питающего током второй токовый электрод, расположенный по другую сторону от точки экстремума потенциала относительно первого электрода, и измеряют электрический потенциал и вторую разность электрических потенциалов в зоне экстремума поля при помощи расположенных на одинаковом расстоянии вдоль колонны трех измерительных электродов, отличающийся тем, что питание токовых электродов осуществляют знакопеременными прямоугольными импульсами тока; измерение электрического потенциала, второй разности электрических потенциалов и первой разности электрических потенциалов, управляющей автокомпенсатором, осуществляют после завершения связанного с переполюсовкой тока индукционного переходного процесса; удельное электрическое сопротивление _П окружающих колонну пластов горных пород определяют по формуле

где _Z - электрическое сопротивление колонны на участке между крайними измерительными электродами М₁М₂;

и - соответственно электрический потенциал поля среднего измерительного электрода N и вторая разность электрических потенциалов на участке колонны между крайними измерительными электродами M₁M₂ при равенстве нулю первой разности потенциалов между этими электродами;

К - геометрический коэффициент зонда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обратный токовый электрод автокомпенсатора заземляют в произвольной точке земной поверхности или колонны на ее участке в интервале от устья скважины до первого токового электрода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для определения электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.

Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент Российской Федерации № 2176802, кл. G 01 V 3/20, опублик. 10.12.2001, БИ № 34) [1].

Для выполнения способа использован зонд в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух токовых электродов, расположенных за пределами зоны измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода. В колонну через каждый из двух токовых электродов поочередно подают от одного и того же полюса источника электрический ток. При каждой из подач тока поэлементно измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первую и вторую разности потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле. Указанный способ обладает двумя недостатками: первый - из-за дискретной поэлементной регистрации сигналов резко снижается скорость измерений и, в принципе, исключается реализация беспрерывной записи кривой сопротивлений по стволу скважины; второй - токовая цепь к нижнему токовому электроду проходит мимо измерительных цепей первой и второй разностей потенциалов электрического поля и создает в этих цепях индукционные наводки, уровни которых могут превышать уровни полезных сигналов.

Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент Российской Федерации № 2200967, кл. G 01 V 3/20, опубл. 20.03.2003, БИ № 8) [2]. Для выполнения способа использован зонд в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух токовых диполей, каждый из которых расположен за пределами зоны измерительных электродов: один выше, а другой ниже. В колонну через каждый из двух токовых диполей поочередно подают электрический ток. При каждой из подач тока поэлементно измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первую и вторую разности потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.

Указанный способ также обладает двумя недостатками: первый (такой же как и в [1] - из-за дискретной поэлементной регистрации сигналов резко снижается скорость измерений и, в принципе, исключается реализация беспрерывной записи кривой сопротивлений по стволу скважины; второй - хотя благодаря использованию нижнего токового диполя вместо однополюсного токового электрода исключается прокладка токовой линии в зоне измерительных цепей первой и второй разностей потенциалов электрического поля и тем самым исключаются индукционные наводки на измерительные цепи, но из-за присутствия в зонде нижнего токового диполя, существенно увеличивающего его размер, не представляется возможным проводить измерения в призабойной части скважины, где, как правило, находятся нефтегазовые пласты, для исследований которых, в основном, предназначается способ каротажа обсаженных скважин.

Известен способ дивергентного каротажа скважин (Н.И. Рыхлинский. Авт. св. № 333514, кл. G 01 V 3/04 по заявке № 932133/26-25, опубл. 21.03.1972. БИ № 11) (прототип). [3].

Для выполнения способа использован зонд в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль оси скважины, и двух токовых электродов, расположенных за пределами зоны измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода. Для поддержания экстремума потенциала в зоне измерительных электродов, необходимого для исключения искажающей результаты измерений осевой составляющей тока, используется автокомпенсатор, который регулирует ток в нижнем токовом электроде так, что первая разность протенциалов электрического поля между крайними измерительными электродами всегда равна нулю. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.

Преимуществом этого способа с автокомпенсатором перед способами [1] и [2] с последовательной поэлементной регистрацией является то, что он позволяет существенно увеличить скорость измерений и, в принципе, позволяет вести непрерывную регистрацию кривой сопротивлений вдоль оси скважины.

Недостатком этого способа, как и способа [1], является то, что токовая цепь к нижнему токовому электроду проходит мимо измерительных цепей и создает в них индукционные наводки, уровни которых в обсаженных скважинах могут превышать уровни полезных сигналов.

В предложенном способе решается задача исключения искажающих результаты измерений в обсаженных скважинах индукционных наводок.

Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, в котором осуществляют подачу электрического тока к обсадной колонне от генератора через первый токовый электрод, создают и поддерживают экстремум потенциала электрического поля ниже первого токового электрода в сторону забоя скважины при помощи автокомпенсатора, питающего током второй токовый электрод, расположенный по другую сторону от точки экстремума потенциала относительно первого электрода, и измеряют электрический потенциал и вторую разность электрических потенциалов в зоне экстремума поля при помощи расположенных на одинаковом расстоянии вдоль колонны трех измерительных электродов, согласно изобретению питание токовых электродов осуществляют знакопеременными прямоугольными импульсами тока; измерение электрического потенциала, второй разности электрических потенциалов и первой разности электрических потенциалов, управляющей автомпенсатором, осуществляют после завершения связанного с переполюсовкой тока индукционного переходного процесса; удельное электрическое сопротивление _п окружающих колонну пластов горных пород определяют по формуле

где _Z - электрическое сопротивление колонны на участке между крайними измерительными электродами M₁ M₂;

- соответственно электрический потенциал поля среднего измерительного электрода N и вторая разность электрических потенциалов на участке колонны между крайними измерительными электродами M₁M₂ при равенстве нулю первой разности потенциалов между этими электродами;

к - геометрический коэффициент зонда.

Кроме этого, согласно изобретению обратный токовый электрод автокомпенсатора заземляют в произвольной точке земной поверхности или колонны на ее участке в интервале от устья скважины до первого токового электрода.

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 - скважинный прибор; 5 - средний измерительный электрод N; 6 и 7 - симметрично расположенные относительно среднего измерительные электроды M₁ и М₂; 8 - первый токовый электрод A₁; 9 - генератор тока; 10 - линия связи первого полюса генератора 9 с первым токовым электродом 8; 11 - обратный токовый электрод B₁, подключенный ко второму полюсу генератора 9; 12 - второй токовый электрод А₂; 13 - автокомпенсатор А_к; 14 - обратный токовый электрод В₂ автокомпенсатора 13; 15 - усилитель второй разности потенциалов между измерительными электродами 6, 7 и 5; 16 - усилитель потенциала U_N между средним измерительным электродом 5 и удаленным электродом N -17.

На фиг.2 проиллюстрировано распределение электрического потенциала вдоль оси скважины от однополюсного токового электрода.

На фиг.3 проиллюстрировано распределение электрического потенциала вдоль оси скважины между двумя однополюсными токовыми электродами при

На фиг.4 проиллюстрированы эпюры сигналов:

а - в токовых цепях зонда; б - в измерительных цепях зонда. Здесь t_инд. - интервал времени, в период которого происходит связанное с переполюсовкой тока в токовых цепях индукционное возбуждение. А t_гальв - интервал времени, в период которого происходит гальваническое возбуждение. В период гальванического возбуждения тока отсутствуют индукционные наводки на какие-либо электрические цепи прибора, в том числе и на измерительные, вследствие постоянства магнитного поля в токовых цепях в этот период.

Рассмотрим принцип электрического каротажа обсаженных скважин, электрическое сопротивление обсадной колонны которых непосредственно, на основе непосредственного измерения вторых разностей потенциалов электрического поля.

Поместим в скважину (фиг.2), в точку А, источник, от которого в исследуемую среду подводится постоянный электрический ток I (на практике вместо постоянного тока подают низкочастотный переменный ток), и определим распределение электрического потенциала вдоль ее оси.

Известно [3], что

и только при r/z>>1 (необходимое условие, которое в обсаженных скважинах всегда выполняется)

где U(z) - электрический потенциал в скважине в точке наблюдения с координатой z; I_z(z) - электрический ток через поперечное сечение обсаженной скважины с этой же координатой; J_r(z) - ток, стекающий со стенки скважины в окружающую породу на единицу интервала глубин (линейная плотность тока с размерностью [А/м]); _r - электрическое сопротивление [Омм], оказываемое средой току J_r(z); _z - погонное электрическое сопротивление отрезка скважины току осевого направления, функционально зависящее от координаты z вследствие непостоянства геометрических и др. параметров обсадной колонны [Омм].

Выделим отрезок столба скважины в точке z с высокой z и с центром в точке наблюдения и к замкнутой поверхности этого цилиндрического отрезка применим уравнение непрерывности вектора плотности тока взятое в интегральной форме, т.е.

Поверхность S состоит из оснований цилиндра S_p и S_q и его боковой поверхностью S_b. Следовательно, левая часть уравнения (3) представляет сумму трех потоков

таким образом, согласно (3) имеем

I_z(z+Az/2)-I_z(z-z/2)+J_r(z)(z=0(z), (4)

откуда I_z(z)/z=-J_r(z)+0(1) и в пределе при z0:

Продифференцируем выражение (1) по z, учитывая, что _z есть функция электрического сопротивления колонны, изменяющегося в реальной скважине вдоль ее ствола с изменением координаты z, т.е. _z=_z(z)const:

Подставив в уравнение (6) равенства (2) и (5), получим уравнение распределения потенциала источника вдоль оси скважины с непостоянным вдоль оси электрическим сопротивлением колонны

Из уравнения (7) видно, что измерение электрического потенциала и его второй производной не определяет искомое отношение _z/_r ввиду присутствия в этом уравнении члена d_z/dz, сильно зависящего от изменчивости электрического сопротивления обсадной колонны.

Предлагаемый способ электрического каротажа обсаженных скважин, на результаты измерений которого неоднородности ствола обсаженной скважины практически не влияют, отличается тем, что электрическое поле вдоль колонны задают таким, чтобы кривая распределения потенциала вдоль этой колонны имела экстремум в области измерительных электродов (в области координаты z=z_n), т.е. dU(z_N)/dz=0. Следовательно, из уравнения (7) исключается член, содержащий неопределенную величину d_z/dz, и это уравнение в точке z=z_n принимает следующий вид:

или

На основании уравнения (9), измерив потенциал и его производную в точке с координатой z_N при наличии там экстремума и сопротивление колонны _z, можно определить искомое радиальное сопротивление _r.

Достижение экстремума потенциала в месте нахождения измерительных электродов осуществляется при помощи двух токовых электродов A₁ и А₂ (фиг.3), расположенных с обеих сторон на одинаковом расстоянии от среднего электрода N (точка измерения), и непрерывного поддержания тока при помощи автокомпенсатора в нижнем токовом электроде А₂ такой величины, чтобы разность потенциалов между двумя симметричными относительно N электродами M₁ и M₂ равнялась нулю, т.е.

Достижение экстремума в точке измерения z=z_N означает исключение осевой составляющей тока I_z(z_N), которая в обсаженной скважине при возбуждении исследуемой среды одним однополюсным источником многократно больше (в миллионы раз) радиальной составляющей J_r(z_N). На практике для измерения _r вместо второй производной потенциала (уравнение (9)) используют пропорциональную ей вторую конечную разность потенциалов

~

Реализация предлагаемого способа электрического каротажа обсаженных скважин заключается в исключении из измеряемого параметра искажающих влияний электрического сопротивления колонны, его изменения и внешних случайных электрических помех через вытекающую из (9) формулы:

где _z - электрическое сопротивление колонны на участке между электродами M₁M₂, Ом;

_п - удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, Омм;

- соответственно электрический потенциал поля электрода N и вторая разность электрических потенциалов на участке колонны между электродами M₁M₂ при равенстве нулю первой разности потенциалов между этими электродами, В;

К - геометрический коэффициент зонда, м.

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, которую окружает пласт 3. Скважинный прибор 4 находится в скважине и примыкает к участку пласта 3, удельное сопротивление которого измеряют. В скважинном приборе 4 находится зонд, состоящий из среднего измерительного электрода N, обозначенного на фиг.1 номером 5, двух дополнительных измерительных электродов M₁ - 6 и М₂ - 7 и двух токовых электродов первого (верхнего) A₁ - 8 и второго (нижнего) А₂ - 12. Все пять электродов прижаты к стенке колонны и имеют с ней электрический контакт.

Первый токовый электрод 8 соединен с первым полюсом находящегося на дневной поверхности генератора 9 переменного импульсного тока инфранизкой частоты линией связи 10. Второй полюс генератора 11 заземлен на дневной поверхности через обратный токовый электрод B₁, обозначенный цифрой 11. В скважинном приборе 5 находятся также автокомпенсатор 13 для поддержания нулевой разности потенциалов между электродами 6 и 7 и усилитель второй разности потенциалов - 15. Усилитель потенциала U_N - 16 может находиться в скважинном приборе или на поверхности. Потенциал U_N центрального измерительного электрода 5 измеряется относительно удаленного электрода N - 17, который расположен на дневной поверхности. Компьютер, обрабатывающий сигналы U, и ²U по формуле (11), и регистратор кривой сопротивления _п на фиг.1 не показаны. Удельное электрическое сопротивление _П получают из формулы (11). Как уже отмечалось выше, эта формула выведена из предпосылки, что результирующая осевая составляющая тока, текущего вдоль колонны между измерительными электродами 6 и 7, равна нулю. Благодаря этому, в частности, искажающее влияние электрического сопротивления колонны на результаты измерения отсутствуют и регистратор после обработки сигналов по формуле (11) регистрирует истинное сопротивление пласта _п. Отметим, что автокомпенсатор 13 выполняет одинаково свою роль (поддержание равенства нулю между измерительными электродами M₁ M₂) независимо от того, в какую точку пространства заземлен его обратный токовый электрод В₂ - 14. По конструктивным соображениям его желательно заземлять в произвольной точке земной поверхности или колонны на ее участке в интервале от устья скважины до первого токового электрода.

С целью исключения влияния индукционных наводок на измерительные цепи скважинного прибора измерение потенциала электрода N и второй разности электрических потенциалов на участке колонны между электродами M₁M₂, а также выделение сигнала управления автокомпенсатором между электродами М₁М₂ осуществляют в промежутках времени гальванического возбуждения t_гальв. (фиг.4) каждого прямоугольного импульса тока, когда изменение магнитного поля в токовой цепи равно нулю. В этом промежутке времени отсутствуют индукционные наводки на измерительные цепи прибора.

Присутствующее в формуле (11) электрическое сопротивление колонны _z на ее участке между электродами M₁M₂ можно определять разными способами. В частности, один из них позволяет определять это сопротивление по формуле

где первая разность потенциалов от действия поля первого источника A₁ при заблокированном автокомпенсаторе;

- сила тока в цепи автокомпенсатора, когда результирующая разность потенциалов между электродами M₁M₂ равна нулю []=0, а токовые электроды A₁ и В₂ совмещены,

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.

Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважины даст значительный экономический эффект, так как позволит эффективнее и точнее по сравнению с другими способами контролировать в эксплуатируемых нефтяных скважинах уровень водонефтяного контакта.