Способ определения структуры горных пород,пересеченных скважиной

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД, ПЕРЕСЕЧЕННЫХ СКВАЖИНОЙ, заключающийся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг скважины, причем частоту вращения выбирают не менее чем.в два раза больше верхней граничной частоты f в частотнотл спектре каротажной кривой , перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении ха ,рактеристики электромаг.штного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород, отличающийся тем, что, с целью пбвышейия прои;зводительности труда, выделяют из частотного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до fi и составляющие спектра электромагнитного сигнала с частотам |П, где П 1,2,3,..., по ампли- S туде составляющих спектра с частотами от нуля до судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу, скважины, а по наличию составляющих спектра с частос тами и их амплитудам судят о структуре горных пород и степени их неоднородности. О5 -Ki 4 ел 00

СО(ОЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11)

3(50 801 Ч 3 30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н А8ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3434822/18-25 (22) 30.04.82 (46 ) 15.01 ° 84, Бюл. 9 2 (72 ) В.A. Королев и В. Ф. Иечетин (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (53) 550.832(088.8) (56) 1. Жданов 11.А. Нефтепромысловая геология и под(чет запасов нефти и газа. И., "Недра", 1981, с. 20-28,,134-135.

2. Кривко Н.Н. и др. Промысловогеофизическая аппаратура и оборудование. M., "Недра", 1981, с.225-.237.

3. Патент С((1А Р 4045724, кл. 324/6, опублик. 1977 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ

ГОРНЫХ ПОРОД, ПЕРЕСЕЧЕННЫХ СКВАЖИНОИк заключающийся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля .с.заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг .оси скважины, причем частоту вращения выбирают не менее чем.в два раза больше верхней граничной частоты f в частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении ха,рактеристики электромаг.;итного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород, отличающийся тем, что, с целью повйшения производительности труда, выделяют из частотного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до fq и составляющие спектра электромагнитного сигнала с частотами

;nf, где tl = 1,2,3,..., по ампли- Е

O туде составляющих спектра с частотами.от нуля до (- судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу.скважины, а по наличию составляющих спектра с частотами nf и их амплитудам судят о Я структуре горных пород и степени их неоднородности.

1067458

Изобретение относится к промысловой геофизике, более конкретно к методам определения структуры горных по-. род, слагающих разрезы скважин, и может использоваться для выявления зон трещиноватости, карстовых пустот и других неоднородностей в разрезах нефтяных, газовых, гидрогеологических и прочих скважин, бурящихся с целью разведки и дОбыЧи полезных ископаемых. 10

Известен способ определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающийся в отборе керна из определенных интервалов разреза скважин и последующем изучении его 15, микроструктуры невооруженным глазом, а также изучении микроструктуры путем изготовления из керна больших шлифов и их исследования. При сплошном отборе образцов пород по всему разрезу скважин можно получить сведения о характере проходимых пород и последовательности их залегания 513 .

Однако при современйом развитии техники бурения сплошной отбор образ- 5 цов пород является экономически нецелесообразным и применяется лишь в исключительных случаях для скважин специального назначения. В эксплуатационных нефтяных и газовых скважинах керн как правило не отбирается.

Лишь примерно в. 10% скважин er общего фонда скважин этой категории проходку интервалов залегания нефтяных или газовых пластов производят колонкови-. ми долотами для получения дополнитель- 35 ных сведений о коллекторских свойствах продуктивных пород.

Известен также способ определения структуры горных пород,по которому в скважине возбуждают ймпульсное 40 акустическое поле с заданным порядком осевой симметрии, вращают его вокруг оси скважины, причем частоту вращения выбирают ие менее, чем в два раза больше граничной частоты 45 в частотном спектре каротажной кривой (3"4 Гц скорости перемещения по оси скважины 15 м/ч), перемещают поле по стволу скважины, измеряют и регистрируют параметры отраженного от стенок скважины акустического поля, характеризующие структуру поверхности скважины. Этот способ позволяет определять. структуру поверхности стенок скважины (трещины, нарушения колонны, перфорационные отверстия 1 С23. 55

Данный сйособ характеризуется малой разрешающей способностью (около

2 мм при благоприятных условиях1, раскрытость же трещин в гарных породах измеряется единицами, десят- 60 ками микрон. Вероятность наличия в горных породах трещины с раскрытостью 2 мм очень низка. Кроме того, способ позволяет получать информацию о структуре поверхности стенок сква- 65 жины, а не объема горных пород, прилегающих скважиие, структура же поверхности скважины в открытом стволе в сильной степени определяется процессом бурения (искусственная, трещиноватость, желобы и T.ä.) Недостатками способа являются также низкая производительность способа (удовлетворительная разрешающая "пособность достигается при скоростях перемещения поля 15 м/ч, при больших скоростях она резко падает); зависимость разрешающей способности от удельного веса глинистого раствора, заполняющего скважину, наличия в нем газовых пузырьков и утяжелителей.

Наиболее близким по технической сущности к .предлагаемому является способ определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающийся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг оси скважины, причем частоту вращения f выбирают не менее чем в два раза больше верхней граничной частоты f в частотном спектре каротажной кривой, перемещении:электромагнитного поля по оси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород.

Этот способ позволяет выявлять породы, обладающие аниэотропной структурой (трещиноватостью, сланцеватостью и т.д.) 31.

Однако этот способ характеризуется невозможностью выделения в структуре горных пород нескольких систем. трещин или каверн и изменения их перпендикулярно оси скважины. Для получения всей необходимой инфОрмации необходимо производить несколько спуско-подъемных операций, чтобы произвести измерения на разных частотах.

Целью изобретения является повышение производительности труда.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающемуся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг оси скважины, причем частоту вращения 7 выбирают не менее чем в два -аза больше верхней граничной частоты a частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное элек1

1067458 рическое сопротивление горных пород, выделяют из частотного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до и составляющие спектра электромагнитного поля с частотами, где и = 5

1, 2, 3,..., по амплитуде составляющих спектра с частотами от нуля до судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу скважины, а по наличию . 10 составляющих спектра с частотами nf и их амплитудам судят о структуре горных пород и степени их неоднородности.

Наиболее резко реагирует на изменение структуры породы их электрическое удельное сопротивление, поэтому применение электромагнитных полей различных частот более благоприятно.

Как известно, удельное электрическое сопротивление пород обусловлено наличием в них пор, трещин и других структурных неоднородностей, в которых содержится пластовая вода.

В зависимости от характера распределения в породе пор и трещин сопротивление ее в различных направлениях может быть неодинаковым. На этой особенности удельного электрического сопротивления пород основано изучение их структуры предлагаемым способом.

При изменении ориентации токовых линий поля относительно:структурных неоднородностей изменяется и измеряе-35 мая характеристика поля, несущая ин— формацию об удельном электрическом сопротивлении пород.

Наиболее часто встречающимися в горных породах неоднородностями 40 являются кавернозность и трещиноватость. Установлено, что в горных породах в общем случае возникает группа из двух сопряженных систем трещин, пересекающих в плане под 45 прямым или близким к нему углом.

Подавляющее большинство трещин пересекает под крутыми углами плоскость напластования, образуя с ней

ДВУГранный УГОЛ, близкий к прЯМОмуе 50

Возможно также существование одной сйстемы параллельных вертикальных трещин.

Эти закономерности развития трещиноватости позволяют использовать для определения структуры горных пород вращающиеся электромагнитные поля с осевой симметрией малых порядков (порядок симметрии не более двух).

На фиг.1 и 2 представлены картины токовых линий поля с осевой сим- 60 метрией 2-го порядка и осевой симметрией 1-го порядка соответственно, на фиг.З вЂ” зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пластах горных пород с неоднородной 65 структурой, на фиг.4 — сумма сос тавляющих спектра частот кривой на фиг.3 с.частотами от нуля до Ф на фиг.5 - составляющие спектра с частотами nf на фиг.6 и 7 — изменения во времени измеряемой характеристики поля в случае применения поля, обладающего севой симметрией 1-го порядка, для однородного пласта на фиг.8 и 9 — то же, для пласта с карстовой пустотой на фиг.10 и 11 — то же, для пласта, рассеченного системой параллельных трещин, перпендикулярных плоскости напластования на фиг.12 и 13— то же, для пласта, рассеченного двумя системами взаимно перпендикулярных трещин; на фиг.14 — структурная схема одного из вариантов аппаратуры, реализующей предлагаемый способ.

На фиг.1 и 2 обозначены: 1 — токовые линии поля 2 — сечение скважины плоскостью, перпендикулярной ее оси; 3 — продольная ось скважины.

Поле с осевой симметрией 2-ro порядка может быть создано магнитным диполем, ось которого перпендикулярна оси скважины.

Поле с осевой симметрией 1-го порядка может быть получено созданием фокусированного пучка тока, истекающего с части поверхности центрального электрода зонда трехэлектродного бокового каротажа. При вращении таких полей в плоскости, перпендикулярной оси скважины, и при наличии в пласте структурных неоднородностей измеряемая характеристика поля, характеризующая удельное электрическое сопротивление пород (ЭДС вторичного магнитного поля, отношение амплитуд в точках измерения, разность потекциалов, ток центрального электрода и т.д.), является периодической функцией времени, причем частота изменения этой характеристики зависит от характера структурной неоднородности.

Так как при исследовании скважин .Необходимо иметь сведения не только о структуре пород, но и о распределении удельного электрического сопротивления пород по глубине скважины, то электромагнитное поле. необходимо перемещать по оси скважины. При этом измеряемая характеристика поля изменяется также B зависимости от распре" деления удельных элект ических сопротивлений по глубине скважины. Вид зависимости изменения измеряемой характеристики поля в этом случае приведен на фиг.3-5.

На фиг.3-5 обозначены: 4 — ось измеряемой характеристики поля, 5— ось времени, 6 — зависимость измеря- емой характеристики поля в пластах с неоднородной структурой, 7 - зависимость суммы составляющих спектра

106 7458

На Фиг.б-13 изображены: 9 — горная порода, 10 — зависимость измеряемой характеристики поля от времени в однородном пласте; 11 — на- правление вращения электромагнитного поля, 12 — карстовая пустота, 13 - зависимость измеряемой характеристики цоля от времени в пласте с неоднородностью в виде карстовой пустоты, 14 — трещина, 15 — зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с одной системой вертикальных трещин, 16зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с двумя системами взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, Т вЂ” время, соответствующее одному обороту поля вокруг оси скважины.

Принято для .иллюстрируемых Фигур, 60 что электромагнитное поле по оси скважины не перемещается.

Однородный пласт характеризуется постоянным во времени значением измеряемой характеристики поля, 65

S0 частот кривой 6. с частотами от нуля до от времени, 8 — зависимость составляющих спектра с частотами Hf .

Так как каротажные кривые, т.е. зависимости измеряемых параметров от глубины скважины, являются функци- 5 ями, ограниченными по частоте, то частотный спектр кривой б будет состоять из двух областей частот: первая область, обусловленная зависимостью измеряемой характеристики поля l0 от глубины скважины, включает частоты от нуля до верхней граничной частоты при скоростях каротажа до

2500 м/ч, не превышающей 3 Гц, вторая область частот, обусловленная наличием в породе структурных неоднородностей, содержит частоты, кратные частоте т вращения поля. Для надежного разделения этих областей частот необходимо, чтобы частота вращения поля т была по крайней мере в два раза больше граничной частоты F каротажной кривой. Таким образом, вторая область частот (в зависимости от характера структурных неоднородностей) может включать частоты 6, 12, 18, 24,... Гц. На фиг.4 приведены составляющие каротажной кривой 6, кривая 7 с частотами < F, кривая 8 с частотой 1, где И = 1, 2, 3,...

На фиг.7, ", 11 и 13 представлены изменения во времени измеряемой характеристики поля, характеризующей удельное электрическое сопротивление пород н случае использования поля, обладающего осевой симметрией 1-го порядка,для однородного пласта и для пластов с различными типами структурных неоднородностей. 40 т.е. не зависящей от, угла поворота токовых линий поля. При наличии в породе карстовой пустотности 12 (фиг.8) характеристика поля будет изменяться с частотой, ранной частоте вращения поля, и будет иметь вид кривой 13 (фиг.9). При наличии в породе одной системы вертикальных трещин 14 (фиг.101 измеряемая характеристика поля будет изменяться с частотой, равной удвоенной частоте вращения, поля и будет иметь вид кривой 15. Если в породе присутствует, две системы взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, то частота изменения характеристики поля будет происходить с частотой, равной 4т" что соответствует кривой 16 (фиг.13).

Таким образом, по наличию в спектре частот каротажной кривой1составляющих с частотами, кратными частоте вращения поля, можно судить о структуре горных пород, пересеченных скважиной: однородчый пласт характеризуется постоянным во времени значением измеряемой характеристики, т.е. отсутствием в частотном спектре составляющих с частотами Ь Р > карстовая пустота (каверна) характеризуется наличием в частотном спектре измеряемой характеристики составляющей, равной частоте вращения поля наличие в горных породах одной системы вертикальных трещин определяется по наличию в спектре характеристики поля составляющей с частотой 2 т наличие в горных породах двух взаимно перпендикулярных систем вертикальных трещин определяется по наличию в спектре .характеристики поля составляющей с частотой 4f

Амплитуда составляющих с частотами и Р характеризует степень неоднородности каждого из видов структурных нарушений.

Структурная схема аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, содержит скважинный прибор 17 бокового трехзлектродного каротажа измерительный преобразователь 18у фильтр

19 нижних частот (ФНЧ), полосовые филь тры 20, 20, ., 20п, регистрирующие устройства 21, 21д, 218 . .,. . 21 т, элемент 22 поверхности центрального электрода.

Аппаратура состоит из скважинного прибора 17, предстанляющего собой прибор трехэлектродного бокового каротажа, на поверхности центрального электрода которого выделен элемент 22 поверхности, изолированный от остальной части злектрода. С поверхности элемента 22 центрального электрода истекает фокусированный пучек тока, Форма которого указана на фиг.2.

7 106 7458 8

Элемент 22 поверхности вращается вокруг оси прибора механическим или электронным путем. Иэмеряе4ыми характеристиками поля являются ток 3, протекающий через элемент 22,и потенциал 0 этого участка относительно удаленной точки. Информация о токе g, и потенциале Uo передается в измерительный преобразователь 18, где они преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное 10 измеряемому удельному электрическому сопротивлению пород. С выхода преобразователя 18 напряжение подается на фНЧ 19.и полосовые фильтры 20, ° ... 20п. ФНЧ 19 выделяет из частот- 1 ного спектра выходного сигнала изме рительного преобразователя область частот от нуля до У, т.е. до 3 Гц.

Сигнал с такими частотами характеризует изменение удельного сопротивления по глубине скважины и регистрируется регистрирующим устройством

21, в виде диаграммы средних удельных сопротивлений в функции глубины скважины.

Полосовые фильтры 20, ..., 20h выделяют соответственно сигналы с частотами Х,.2Х, ЗФ,...,rig ° Практически достаточно ограничиться пятью полосовыми фильтрами. Сигналы с выходов фильтров 20,. ".,20п регистрируются регистрирующими устройствами

21,...,21, . По наличию сигналов на выходе того или иного фильтра судят о характере структурной неоднородности, а по их амплитудамо степени неоднородности

В процессе исследований скважинный прибор центрируется таким образом, что осъ вращения электромагнитного поля совпадает с осью скважины.

Предлагаемый способ в отличие от известного обладает высокой экономичностью и высокой проиэводитель» ностью и"следований; кроме того, позволяет получать сведения.не толъко о структуре пород в каждой точке глубины скважины, ио и о распределении удельных сопротивлений по глубине ".кважины.

1067458 г

° а ° °

° Ф.ю е ° °

Ф °

° .е ° « ° ó

° °

° е ° ° ее ° ° ° 1б ° ° а

-<

° ае1

В

J °

\ ° °

Фиг.10

10á7458

f4

Р

Составитель Л.Воскобойников

Техред A.Бабинец: Корректор A.ôåðåíö

Редактор М.Петрова

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 11205/90 Тирам 715 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ф-35, Раушская наб., д. 4/5