способ электрического каротажа обсаженных скважин
Классы МПК: | G01V3/20 с использованием распространения электрического тока |
Автор(ы): | Кашик А.С., Рыхлинский Н.И., Гогоненков Г.Н., Кривоносов Р.И., Гарипов В.З. |
Патентообладатель(и): | Кашик Алексей Сергеевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-02-20 публикация патента:
10.12.2001 |
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может найти применение при определении электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину. В способе электрического каротажа обсаженных скважин используют зонд, состоящий из трех эквидистантных измерительных электродов и двух, расположенных за пределами зоны измерительных электродов, симметрично относительно среднего измерительного электрода, токовых электродов. В колонну через каждый из двух токовых электродов поочередно подают от одного и того же полюса источника электрический ток. При каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода, первую разность потенциалов на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами и вторую разность потенциалов на том же участке колонны. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле. Технический результат - повышение точности, расширение диапазона измерений. 12 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12
Формула изобретения
Способ электрического каротажа обсаженных скважин, включающий подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи многоэлектродного зонда второй разности, выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов и двух токовых, верхнего и нижнего, электродов, которые расположены за пределами измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, отличающийся тем, что в каждый из двух токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника и при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной, первую разность потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов 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![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-37t.gif)
где k - коэффициент, полученный из уравнения
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-38t.gif)
вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда;
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-39t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-40t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-41t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-42t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-43t.gif)
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, опубл. 03.01.1989 [1] и патент США N 5543715, НКИ 324/368, опубл. 06.08.1996 [2]). Согласно способу проводят два раздельных измерения первых разностей потенциала электрического поля на двух парах измерительных электродов при двух различных возбуждениях поля: первым - двухполюсным зондом (пятиэлектродный зонд), вторым - однополюсным зондом (четырехэлектродный зонд). Затем расчетным способом корректируют одно измерение через другое. Недостатком способа является его слабая защищенность от влияния внешних электрических помех (например, теллурических) и неоднородностей обсадной колонны, что приводит к искажениям и погрешностям при определении удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород. Способ [2] отличается, в основном, от способа [1] тем, что он предназначен для измерения удельного сопротивления пласта, при котором используется одножильный каротажный кабель. 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 зонда второй разности, 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. 192-212 - прототип) [3]. 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-прототипа 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 расширение диапазона измерения параметров пласта, в частности удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную скважину за счет подавления влияния на результаты измерений неоднородностей обсадной колонны и внешних случайных электрических помех. Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, включающем измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи многоэлектродного зонда второй разности, выполненного в виде измерительных и токовых электродов, согласно изобретению используют зонд второй разности, конструктивно выполненный в виде трех эквидистантных измерительных электродов и двух токовых, верхнего и нижнего, электродов, которые расположены за пределами измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, в каждый из двух токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника, и при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля колонны в точке контакта среднего измерительного электрода, первую разность потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке колонны между контактами всех трех измерительных электродов, а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, которое определяют по формуле:![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-2t.gif)
где к - коэффициент, полученный из уравнения
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-3t.gif)
вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда;
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-4t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-5t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-6t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-7t.gif)
На фиг. 1 дана блок-схема устройства, реализованного по предлагаемому способу, где 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 и 9 - токовые электроды, соответственно, A1 и A2; 10 - электронный переключатель тока в цепи токовых электродов A1 и A2; 11 - генератор тока; 12 - линия связи первого полюса генератора 11 с электронным переключателем 10; 13 - обратный токовый электрод B, подключенный ко второму полюсу генератора 11; 14 - усилитель первой разности потенциалов
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-8t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-9t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-10t.gif)
На фиг. 4 дана кривая моделирования способом-прототипом [3] на первой модели среды. На фиг. 5 даны кривые моделирования способом-прототипом [3] на первой и второй моделях сред при вставках-неоднородностях колонны с сопротивлением, увеличенным в 1.00032 раза. На фиг. 6 дана кривая моделирования способом-аналогом на модели 3 при отсутствии неоднородностей в колонне и внешних случайных электрических помех. На фиг. 7 дана кривая моделирования предлагаемым способом на модели 3 при отсутствии неоднородностей в колонне и внешних случайных электрических помех. На фиг. 8 даны результаты моделирования способом-аналогом на первой и второй моделях сред. На фиг. 9 даны результаты моделирования предлагаемым способом на первой и второй моделях сред. На фиг. 10 даны результаты моделирования способом-аналогом на модели 3 при внешних случайных помехах с максимальной амплитудой 3
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/961.gif)
Рассмотрим принцип электрического каротажа обсаженных скважин, электрическое сопротивление обсадной колонны которых непостоянно, на основе непосредственного измерения вторых разностей потенциалов электрического поля. Поместим в скважину (фиг. 2) [3], в точку A, 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
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-11t.gif)
и только при
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-12t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-13t.gif)
где U(Z) - электрический потенциал в скважине в точке наблюдения с координатой z; Iz(Z) - электрический ток через поперечное сечение обсаженной скважины с этой же координатой; Jr(Z) - ток, стекающий со стенки скважины в окружающую породу на единицу интервала глубин (линейная плотность тока с размерностью [А/м] );
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-14t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-15t.gif)
Поверхность S состоит из оснований цилиндра Sp и Sg и его боковой поверхности Sb. Следовательно, левая часть уравнения (3) представляет сумму трех потоков
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-16t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-17t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-18t.gif)
Таким образом, согласно (3), имеем
Iz(z+
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
откуда
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-19t.gif)
Продифференцируем выражение (1) по z, учитывая, что
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176068/8800.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-20t.gif)
Подставив в уравнение (6) равенства (2) и (5), получим уравнение распределения потенциала источника вдоль оси скважины с непостоянным вдоль оси электрическим сопротивлением колонны
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-21t.gif)
Анализ уравнения (7) и результаты математического моделирования, которые будут приведены ниже, показывают, что измерение электрического потенциала и его второй производной (как это предлагалось в [3]) не определяет искомое отношение
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-22t.gif)
или
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-23t.gif)
На основании уравнения (9), измерив потенциал и его вторую производную в точке с координатой zN, при наличии там экстремума, можно определить искомое отношение
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
Достижение экстремума потенциала в месте нахождения измерительных электродов осуществляется при помощи двух источников A1 и A2 (фиг. 3), расположенных с обеих сторон на одинаковом расстоянии от среднего электрода N (точка измерения), и подбора в них токов таких величин, чтобы разность потенциалов между двумя симметричными относительно N электродами M1 и M2 равнялась нулю, т.е.
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-24t.gif)
Достижение экстремума в точке измерения z = zN означает исключение осевой составляющей тока Iz(zN), которая в обсаженной скважине, при возбуждении исследуемой среды одним однополюсным источником, многократно больше (в миллионы раз) радиальной составляющей r(zN). На практике для измерения
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/937.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-25t.gif)
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 формулу
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-26t.gif)
где к - коэффициент, полученный из уравнения
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-27t.gif)
вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда с целью обнуления там осевого тока. При этом нет необходимости в подборе токов в токовых электродах зонда A1 и A2 а всего лишь достаточно измерить разности потенциалов
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-28t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-29t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-30t.gif)
где
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-31t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-32t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-33t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-34t.gif)
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 верхнего A1 - 8 и нижнего A2 - 9. Все пять электродов прижаты к стенке колонны и имеют с ней электрический контакт. В скважинном приборе 4 находится электронный переключатель 10 для последовательной подачи тока в токовые электроды 8 и 9. Электронный переключатель 10 соединен с первым полюсом находящегося на дневной поверхности генератора 11 переменного тока инфранизкой частоты линией связи 12. Второй полюс генератора 11 заземлен на дневной поверхности через обратный токовый электрод B, обозначенный цифрой 13. В скважинном приборе 5 находятся также усилитель разности потенциалов
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-35t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176802/2176802-36t.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176072/916.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/961.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/961.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/961.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176042/961.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176020/8226.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176103/8734.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176003/177.gif)
![способ электрического каротажа обсаженных скважин, патент № 2176802](/images/patents/295/2176003/177.gif)
Класс G01V3/20 с использованием распространения электрического тока