способ электрического каротажа обсаженных скважин

Формула изобретения

Способ электрического каротажа обсаженных скважин, включающий подачу электрического тока в токовые электроды зонда второй разности, выполненного в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух прямых токовых, верхнего и нижнего, электродов, расположенных за пределами измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, измерение при каждой подаче тока в токовые электроды потенциала электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной и первой и второй разности потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов, и расчет удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород, отличающийся тем, что дополнительно в зонде располагают за пределами измерительных электродов и их электрических цепей верхний генератор тока с верхним обратным токовым электродом выше верхнего прямого токового электрода и нижний генератор тока с нижним обратным токовым электродом ниже нижнего прямого токового электрода, через верхний генератор тока питают верхние прямой и обратный токовые электроды, через нижний генератор тока питают нижние прямой и обратный токовые электроды, а удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород определяют по формуле



где к - коэффициент, полученный из уравнения



вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда;

К - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность метры и зависящий от геометрических размеров зонда;

- потенциалы электрического поля в точке контакта с колонной среднего измерительного электрода, соответственно, при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

- первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда, соответственно, при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

- вторые разности потенциалов электрического поля на том же участке колонны, соответственно, при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

- токи, подаваемые к колонне в точках контакта с ней верхней и нижней пары токовых электродов зонда.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент Российской Федерации 2172006, кл. G 01 V 3/20, опублик. 10.08.2001 г.). Для выполнения способа использован зонд в виде трех эквидистантно расположенных вдоль колонны измерительных электродов и трех токовых электродов. Два токовых электрода расположены симметрично относительно среднего измерительного электрода. Третий электрод расположен в середине на уровне среднего измерительного электрода. В каждый из трех токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника. При каждой из трех подач тока измеряют потенциал электрического поля среднего измерительного электрода, первую и вторую разность потенциалов электрического поля на участке колонны между двумя крайними измерительными электродами. Удельное электрическое сопротивление определяют по соответствующей формуле.

Недостатком способа является то, что токовые цепи к нижнему и среднему токовым электродам проходят мимо измерительных схем первой и второй разностей потенциалов электрического поля и создают в цепях этих схем емкостные и индукционные наводки, уровни которых могут превышать полезные сигналы. Поэтому при создании устройств по этому способу приходится применять сложные компенсирующие эти наводки схемы, что в целом усложняет создание устройства, его наладку и эксплуатацию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ электрического каротажа обсаженных скважин (патент Российской Федерации 2176802, кл. G 01 V 3/20, опублик. 10.12.2001 г. - прототип). Для выполнения способа использован зонд в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух токовых электродов, расположенных за пределами зоны 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 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.

Из-за присутствия только одной токовой цепи, подводящей ток к нижнему токовому электроду мимо измерительных цепей, электрические наводки на эти цепи меньше. Тем не менее, с ними приходится бороться путем применения сложных компенсирующих схем.

В предложенном способе решается задача полного исключения наводок токовых цепей на измерительные, что создает благоприятные условия при изготовлении устройств по этому способу, их настройке и эксплуатации, и в конечном результате повышает точность измерения удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород.

Задача решается тем, что в способе электрического каротажа обсаженных скважин, включающем подачу электрического тока в токовые электроды зонда второй разности, выполненного в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух прямых токовых, верхнего и нижнего электродов, расположенных за пределами измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, измерение при каждой подаче тока в токовые электроды потенциала электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной и первой и второй разности потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов, и расчет удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород, согласно изобретению дополнительно в зонде располагают за пределами измерительных электродов и их электрических цепей верхний генератор тока с верхним обратным токовым электродом выше верхнего прямого токового электрода и нижний генератор тока с нижним обратным токовым электродом ниже нижнего прямого токового электрода, через верхний генератор тока питают верхние прямой и обратный токовые электроды, через нижний генератор тока питают нижние прямой и обратный токовые электроды, а удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород определяют по формуле



где к - коэффициент, полученный из уравнения



вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда;

К - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность метры и зависящий от геометрических размеров зонда;

U_N(J_{A1 B1}), U_N(J_{A2 B2}) - потенциалы электрического поля в точке контакта с колонной среднего измерительного электрода соответственно при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

- первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

- вторые разности потенциалов электрического поля на том же участке колонны соответственно при подаче токов в верхнюю и нижнюю пары токовых электродов зонда;

J_{A1 B1}, J_{A2 B2} - токи, подаваемые к колонне в точках контакта с ней верхней и нижней пары токовых электродов зонда.

Сущность изобретения

При электрическом каротаже обсаженных скважин в цепях электрических схем возникают емкостные и индукционные наводки, уровни которых могут превышать полезные сигналы. Поэтому при создании устройств по этому способу приходится применять сложные компенсирующие эти наводки схемы, что в целом усложняет создание устройства, его наладку и эксплуатацию.

В предложенном способе решается задача полного исключения наводок токовых цепей на измерительные. Задача решается за счет применения зонда, выполненного в виде трех измерительных электродов, эквидистантно расположенных вдоль колонны, и двух прямых токовых, верхнего и нижнего электродов, расположенных за пределами измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода. В зонде располагают за пределами измерительных электродов и их электрических цепей верхний генератор тока с верхним обратным токовым электродом выше верхнего прямого токового электрода и нижний генератор тока с нижним обратным токовым электродом ниже нижнего прямого токового электрода. Через верхний генератор тока питают верхние прямой и обратный токовые электроды, через нижний генератор тока питают нижние прямой и обратный токовые электроды. При проведении каротажа обсаженной скважины производят подачу электрического тока в токовые электроды зонда, при каждой подаче тока в токовые электроды ведут измерение потенциала электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной и первой и второй разности потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов, и расчет удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород.

При питании переменным током прямые токовые электроды питают синфазными токами от генераторов тока, при этом токи в прямом и обратном токовых электродах находятся в противофазе.

Возбуждение и установление величины тока в нижнем генераторе тока осуществляют при помощи первой разности потенциалов электрического поля, возникающей на участке колонны между крайними измерительными электродами от действия электрического поля верхнего генератора тока, с величиной тока в цепи токовых электродов нижнего генератора тока, обеспечивающей стремление к нулю результирующей первой разности электрических потенциалов и созданием условия появления там экстремума потенциала электрического поля.

На фиг.1 дана блок-схема одного варианта устройства. Здесь 1 - скважина, 2 - обсадная металлическая колонна; 3 - окружающий скважину пласт горных пород; 4 - зонд; 5 - средний измерительный электрод; 6 и 7 - измерительные электроды M₁ и М₂, симметрично расположенные относительно среднего измерительного электрода, 8 - верхний генератор тока; 9 - прямой токовый электрод A₁ верхнего генератора тока; 10 - удаленный к устью скважины обратный токовый электрод B₁ верхнего генератора тока; 11 - нижний генератор тока; 12 - прямой токовый электрод А₂ нижнего генератора тока; 13 - обратный токовый электрод B₂ нижнего генератора тока; 14 - переключатель токовых электродов A₁ и А₂ верхнего и нижнего генераторов тока; 15 - усилитель первой разности потенциалов UM₂M₁ между измерительными электродами 6 и 7; 16 - усилитель второй разности потенциалов ²UM₂NM₁ между измерительными электродами 6, 7 и 5; 17 - усилитель потенциала UN между средним измерительным электродом 5 и удаленным измерительным электродом N-18.

На фиг.2 дана блок-схема второго варианта устройства, реализованного по предлагаемому способу, где 19 - обратный токовый электрод B₁ верхнего токового генератора тока, удаленный от прямого токового электрода A₁ вверх по оси скважины на заданное расстояние.

На фиг. 3 дана блок-схема третьего варианта устройства, реализуемого по предлагаемому способу, где 20 - усилитель сигнала ошибки на участке колонны между измерительными электродами M₁ и М₂ нижнего генератора тока (автокомпенсатора) - 21, обеспечивающего через подачу тока в нижний токовый диполь А₂В₂ равенство нулю результирующей разности потенциалов (экстремуму потенциала) на участке колонны между измерительными электродами M₁ и М₂.

На фиг.4 проиллюстрировано распределение электрического потенциала вдоль оси скважины от однополюсного бокового электрода или диполя.

На фиг.5 проиллюстрировано распределение электрического потенциала вдоль оси скважины между двумя парами токовых электродов (диполями).

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.4), в точку А источник, от которого в исследуемую среду подводится постоянный электрический ток J (на практике вместо постоянного тока подают низкочастотный переменный ток), и определим распределение электрического потенциала вдоль ее оси. Известно [2], что



и только при _r/_z1 (необходимо условие, которое в обсаженных скважинах всегда выполняется)

J_r(z) = U(z)/_r, (2)

где U(z) - электрический потенциал в скважине в точке наблюдения с координатой z; J_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(z); _z - электрическое сопротивление отрезка скважины току осевого направления, функционально зависящее от координаты z вследствие непостоянства геометрических и др. параметров обсадной колонны.

Выделим отрезок столба скважины в точке z с высотой 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 Sp и Sq и его боковой поверхности S_b. Следовательно, левая часть уравнения (3) представляет сумму трех потоков







Таким образом, согласно (3), имеем

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

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



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)const



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



Анализ уравнения (7) показывает, что измерение электрического потенциала и его второй производной при возбуждении исследуемой среды одним однополюсным источником или одним дипольным источником не определяет искомое отношение _z/_r ввиду присутствия в этом уравнении члена d_z/dz, сильно зависящего от изменчивости параметров обсадной колонны.

Предлагаемый способ электрического каротажа обсаженных скважин, на результат 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 вторую производную в точке с координатой z_N, при наличии там экстремума, можно определить искомое отношение

Достижение экстремума потенциала в месте нахождения измерительных электродов осуществляют при помощи двух источников A₁B₁ и А₂В₂ (фиг.5), расположенных с обеих сторон от среднего электрода N (точка измерения), и подбора в них токов таких величин, чтобы разность потенциалов между двумя симметричными относительно N электродами M₁ и М₂ равнялась нулю, т.е.

Достижение экстремума в точке измерения z=z_Nозначает исключение осевой составляющей тока J_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/_z 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 влияния электрического сопротивления колонны, его изменения, внешних случайных электрических помех и электрических наводок токовых цепей на измерители первой и второй разностей электрических потенциалов через формулу



где к - коэффициент, полученный из уравнения



вытекающего из необходимости условия наличия экстремума потенциала электрического поля вдоль колонны в пределах зоны измерительных электродов зонда с целью обнуления там осевого тока.

Для исключения искажающего влияния самого сопротивления колонны служит множитель перед второй скобкой в формуле (11).

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. Зонд 4 находится в скважине и примыкает к участку пласта 3, удельное электрическое сопротивление которого измеряют. В зонде находится два генератора тока. Верхний генератор 8 служит для питания верхнего прямого токового электрода зонда 9 и верхнего обратного токового электрода 10, который может быть отнесен на устье скважины (фиг.1) или размещен в скважине на заданном расстоянии от верхнего прямого токового электрода, как это показано на фиг.2, где он обозначен под номером 19. Нижний генератор 11 служит для питания нижнего прямого электрода 12 и нижнего обратного электрода 13.

В зонде между верхним и нижним генераторами тока размещены измерительные устройства 15, 16 и 17 для измерения первой (между электродами 6 и 7 зонда) и второй (между электродами 6, 7 и 5) разностей потенциалов, а также для измерения потенциала колонны в точке соприкосновения с ней измерительного электрода 5 зонда.

Удельное электрическое сопротивление _n в данном примере конкретного выполнения получено 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 получаемое предлагаемым способом удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород отсутствует.

Существует вариант, когда нижний генератор включен в режиме автокомпенсатора 21 (фиг. 3). В этом варианте первые разности потенциалов от действия поля верхнего генератора и от действия поля нижнего генератора (автокомпенсатора) на участке колонны между измерительными электродами 6 и 7 равны между собой и противоположны по знаку, так что результирующая разность потенциалов на этом участке от суммарного поля двух источников равна нулю. При этом коэффициент К в формуле (11) в силу равенства первых разностей потенциалов от каждого источника в отдельности равен единице, что приводит к упрощению формулы (11) для определения удельного электрического сопротивления окружающих колонну пластов горных пород.

Предложенный способ в вариантах блок-схем по фиг.1 и 2 реализован в виде аппаратурного макета и испытан в скважине. Следует отметить, что в данном макете точки J _А1В1 и J _А2В2 стабилизировались и равнялись значению 5 ампер. При этом в данном макете потенциалы U_N от возбуждения каждым из двух источников в зависимости от изменения электрического сопротивления окружающих колонну пластов составляли значения от 0,5 mV до 1,0 mV, первые разности потенциалов - от 2,0 mкV до 15 mкV, вторые разности потенциалов - от 0 до 0,5 mкV.

Отметим, что по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения удельного сопротивления пластов горных пород за счет исключения наводок токовых цепей на измерительные схемы.

Внедрение предлагаемого способа в практику геофизических исследований скважин даст значительный экономический эффект, так как позволит надежно контролировать в эксплуатируемых нефтяных скважинах уровень водонефтяного контакта.