Способ электромагнитного исследования горных пород за обсадной колонной

Изобретение относится к области геофизических исследований горных пород за скважиной, обсаженной металлической колонной. Сущность: возбуждают приемно-передающим устройством антенны скважинного прибора субнизкочастотного в диапазоне 1-10 Гц, электромагнитного поля поперечно-магнитного типа. Одновременно с возбуждением измеряют ток на входе антенны, который пропорционален ϕ-компоненте магнитного поля H_ϕ(r_s), где r_s - радиус источника возбуждения. Определяют коэффициент эффективности прибора

где I_z,K - ток, протекающий вдоль колонны. По кривой коэффициента эффективности прибора по глубине определяют границы раздела пластов. Строят итеррационный процесс минимизации невязки значений коэффициента эффективности прибора, полученных в результате измерений, и теоретических значений и определяют значения электрической проводимости каждого пласта. Достигается повышение точности измерений относительного вклада полезного сигнала, обеспечение исследования в радиальном направлении на величину порядка 1-5 м, возможность отбивки границ и определения электрического сопротивления пластов толщиной до 1 м с точностью 10-15%. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности и предназначено для геофизических исследований горных пород за скважиной, обсаженной металлической колонной, способом электромагнитного каротажа. Кроме того, изобретение может найти применение при оценке технического состояния действующих и наблюдательных обсаженных скважин, обеспечении управления и контроля в режиме реального времени за процессом разработки нефтегазовых месторождений, а также при проведении работ по текущему и капитальному ремонту действующих обсаженных скважин.

Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин при помощи контактирующего с обсадной колонной многоэлектродного зонда, включающий измерения первых и вторых разностей между измерительными электродами (патент RU, № 2172006 С1, дата публик. 2001.08.10). Зонд выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов и одного токового электрода, расположенного выше на заданном расстоянии от них. В зонд дополнительно вводят два токовых электрода: один ниже измерительных электродов симметрично верхнему токовому электроду относительно среднего измерительного электрода, а другой - в середину на уровень среднего измерительного электрода, который подключают к колонне в точке, не совмещенной с точкой контакта с колонной среднего измерительного электрода. В качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, которое определяют по формуле:

где k₁ и k₂ коэффициенты, зависящие от первых и вторых разностей потенциалов между измерительными электродами и конструкции данного зонда,

k - коэффициент зонда,

U_N(I_A1), U_N(I_A2), U_N(I_A3) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней центрального измерительного электрода.

Ограничением данного способа является малая абсолютная величина измеряемых вторых разностей, равных отношению проводимости горных пород к проводимости обсадной колонны, что резко снижает помехоустойчивость результатов.

Известны также способы определения удельного электрического сопротивления пластов за обсадной колонной (US Patent No.5065100, Date of Patent: Nov. 12,1991; US Patent No.5038106, Date of Patent: Aug.6, 1991). Все эти способы основаны на возбуждении переменных электромагнитных полей поперечно-электрического типа приемно-передающими устройствами скважинных приборов.

Ограничением применения данных способов является возникновение эффекта соленоида, приводящего к концентрации электромагнитного поля внутри колонны, что вызвано отсутствием радиальной компоненты электрического поля. При этом относительный вклад полезного сигнала как отношение полезного сигнала к полному на приемно-передающих устройствах скважинных приборов, равный отношению суммарного электрического тока в горных породах к току в обсадной колонне, весьма низок. Он составляет 10^-8-10^-9, что резко снижает эффективность способов.

В предлагаемом изобретении решается задача создания способа электромагнитного исследования, который не имеет указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного изобретения, является повышение точности измерений параметров горных пород, повышение относительного вклада полезного сигнала, возбуждаемого скважинным прибором, обеспечение глубины исследования горных пород за колонной труб в радиальном направлении на величину порядка 1-5 м (в зависимости от длины антенны), возможность отбивки границ и определения электрического сопротивления пластов толщиной до 1 м с точностью 10-15%, возможность одновременно с проведением геофизических исследований оценить техническое состояние скважины, обсаженной металлической колонной. При этом приемно-передающим устройством антенны скважинного прибора одновременно возбуждают электромагнитное поле в диапазоне 100-500 Гц и измеряют электрическую проводимость и толщину обсадной колонны.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе электромагнитного исследования горных пород за обсадной колонной, включающем возбуждение скважинным прибором в обсадной колонне и окружающих горных породах электромагнитного поля и определение параметров горных пород в процессе движения скважинного прибора вдоль обсадной колонны, согласно изобретению приемно-передающим устройством антенны скважинного прибора возбуждают субнизкочастотное, в диапазоне 1-10 Гц, электромагнитное поле поперечно-магнитного типа, одновременно с возбуждением измеряют ток на входе антенны, который пропорционален компоненте магнитного поля на Н_ϕ(r_s), r_s - радиус источника возбуждения, определяют коэффициент эффективности прибора

где I_z,K - ток, протекающий вдоль колонны, строят кривую коэффициента эффективности прибора по глубине, по которой определяют границы раздела пластов, строят итерационный процесс минимизации невязки значений коэффициента эффективности прибора, полученных в результате измерений, и теоретических значений на основе математического моделирования коэффициента эффективности прибора в заданном интервале разреза и определяют значения электрической проводимости каждого пласта.

Математическое моделирование основано на решении полной, неукороченной системы уравнений Максвелла для амплитуд электрического и магнитного полей с гармоническим источником магнитного типа, имеющей вид:

Возбуждаемое в предложенном способе субнизкочастотное (1-10 Гц) электромагнитное поле поперечно-магнитного типа (ТМ-типа) имеет радиальную компоненту вектора электрического поля, чем достигается вытекание поля из обсадной колонны во все пространство горных пород вне обсадной колонны. Глубина проникновения электромагнитного поля на частотах от 1 до 10 Гц значительно превышает толщину колонны. Относительный вклад полезного сигнала, возбуждаемого скважинным прибором, составляет при этом величину порядка 10^-3-10^-5. Обеспечивается повышение точности определения параметров горных пород и достигается возможность исследования заколонного пространства в радиальном направлении на глубину от одного до пяти метров и определения границ раздела и электрического сопротивления пластов толщиной до одного метра.

Сопоставление результатов измерений комплексного значения входной проводимости (входного адмитанса) антенны в заданных точках ствола скважины с соответствующими результатами математического моделирования позволяет повысить точность определения границ пластов и их удельного электрического сопротивления. Уточнение истинных значений определяемых параметров производят на основе минимизации вектора невязки с учетом данных дефектоскопии обсадной колонны.

Одновременное возбуждение приемно-передающим устройством антенны скважинного прибора электромагнитного поля в диапазоне 100-500 Гц (указанные границы частотного диапазона выявлены в процессе анализа математического моделирования) позволяет измерить параметры обсадной колонны, а именно ее электрическую проводимость и толщину. Этим достигается возможность оценки технического состояния обсаженной скважины, проводимой одновременно с процессом электромагнитного каротажа, что способствует повышению точности определения параметров горных пород в случаях, когда обсадная колонна повреждена в результате коррозии, проведения прострелочно-взрывных работ, некачественного контакта в замках колонны и др.

Предложенный способ представлен следующими графическими изображениями:

фиг.1 - схема размещения скважинного прибора электромагнитного радиопросвечивания в обсадной колонне;

фиг.2 - схема, отображающая часть окружающей среды, в которой распространяется электромагнитное поле;

фиг.3 - расчетные кривые профилирования коэффициента эффективности прибора (относительного вклада полезного сигнала) по глубине;

фиг.4 - профили производных коэффициента эффективности прибора по оси скважины;

фиг.5 - график восстановления электрического разреза по кривой профилирования коэффициента эффективности прибора.

Скважинный прибор 1 электромагнитного просвечивания (фиг.1), установленный на каротажном кабеле 2, размещен в обсадной колонне 6. Антенна 3 вместе с приемно-передающим устройством 4 представляет собой электрический диполь, на концах которого имеется сосредоточенная оконечная нагрузка 5.

Выбор конструкции скважинного прибора 1 и антенны 3 диктуется их назначением - диагностировать среду, пересекаемую обсадной колонной 6. При этом одна и та же конструкция скважинного прибора 1 может применяться для электромагнитного каротажа как вертикальных, так и горизонтальных скважин. Разница заключается только в используемом комплексе программ для расчета соответствующих прямых и обратных задач.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

В скважину, обсаженную колонной 6, с целью проведения геофизических исследований опускают скважинный прибор 1. Приемно-передающим устройством 4 антенны 3 возбуждают электромагнитное поле на двух частотных диапазонах: на субнизкочастотном (1-10 Гц) и более высоком (100-500 Гц). Одновременно с возбуждением на заданном участке АВ разреза скважины в ходе перемещения скважинного прибора 1 вдоль обсадной колонны 6 через каждый интервал, например Δz=0,2 м, производят запись амплитуды и фазы тока I(0) на входе антенны 3. Перемещаясь вдоль обсадной колонны 6, скважинный прибор 1 пересекает пласты с различными электрофизическими свойствами (фиг.2). Окружающая среда при этом включает три подобласти: пространство 1 внутри обсадной колонны, корпус 2 обсадной колонны и неоднородные пласты 3 окружающих горных пород. В каждой подобласти среда является электрически однородной с параметрами: ε_rj, μ_j, σ_j, (j=1-N), где ε=ε₀ε_rj+iσ_j/ω, ε₀=10⁷/(4πc²)F/m;

Колонна 6 рассматривается как погруженная в окружающие горные породы неизолированная внешняя электрическая антенна в виде кругового цилиндра конечной длины с внутренним и внешним радиусами, равными а₁ и а₂ соответственно. В цилиндрической системе координат (r, ϕ, z) ось z совпадает с осью скважины и направлена вертикально вверх. В скважинном приборе 1 антенна 3 - металлический круговой цилиндр с наружным радиусом а₀, оси прибора и антенны совпадают с осью скважины.

На концах антенны 3, представляющей собой электрический диполь длиной L, имеется сосредоточенная оконечная нагрузка 5, близкая к импедансу короткого замыкания, источником возбуждения приемно-передающего устройства 4 может служить, например, тороидальная катушка с радиусом центра r_s. Ток на такой антенне сильно зависит от электрической проводимости колонны 6 и окружающих скважину горных пород. Величина входного адмитанса (входной проводимости) Y антенны 3 выражена в общем виде формулой:

где I(0) - ток на входе антенны, - питающее напряжение.

В качестве математической модели источника возбуждения служит бесконечно тонкая кольцевая нить магнитного тока радиуса r_s (а₀<r_S<a₁), расположенная на антенне 3:

где I^М - амплитуда магнитного тока, меняющегося во времени как exp(-iωt), ω=2πf, f - частота тока генератора.

Амплитуда и фаза компоненты магнитного поля Нϕ(r_S) на приемно-передающем устройстве 4 внутри скважины пропорциональна амплитуде и фазе суммарного тока I(0) на входе антенны 3. Этот ток складывается из двух частей: тока, протекающего по колонне, и тока, протекающего по всему пространству горных пород, примыкающих к тому месту, где находится в данный момент антенна 3. Возникает своеобразный «кумулятивный» эффект влияния горных пород на показания скважинного прибора 1. Для анализа этого суммарного эффекта выражение:

связывающее ϕ-компоненту магнитного поля Нϕ(r_S) с z-компонентой напряженности электрического поля из системы уравнений Максвелла (выражение (1) умножают на 2π и интегрируют по радиусу г от внутренней стенки обсадной колонны 6 r=а₁ до бесконечности г=∞). При этом для простоты полагают, что колонна 6 пересекает однородные горные породы с электрической проводимостью σ^П, а интегрирование проводится в плоскости поперечного сечения А, проходящей через среднюю точку антенны 3 (фиг.2). Тогда полное магнитное поле Н_ϕ(r_s) в скважине вблизи внутренней стенки колонны 6 равно:

2πа₀H_ϕ(r_s)=-I_z,K-I_z,П,

где

- z-компонента величины суммарного тока, протекающего по колонне и по горным породам;

E_z,K(П) - z-компонента напряженности электрического поля в колонне и в горных породах.

Основным вопросом в теории каротажа обсаженных скважин является исследование отношения тока I_z,П, протекающего в горных породах перпендикулярно к плоскости поперечного сечения А, к току I_z,K, протекающему через сечение тела колонны в той же плоскости A, k=I_Z,П/I_Z,K, называемое коэффициентом эффективности прибора. Выполнив нормировку измеряемой величины магнитного поля Н_ϕ(r_S) на величину тока по колонне I_z,K, согласно выражению

получаем коэффициент эффективности прибора.

В качестве тока по колонне в формуле (3) можно принять значение известной величины тока по колонне при отсутствии горных пород за обсадной колонной.

Проведенные теоретические исследования коэффициента эффективности прибора дают величину относительного вклада полезного сигнала, возбуждаемого скважинным прибором 1 в пространстве горных пород вне обсадной колонны 6, равную 10^-3-10^-5 (при наличии электрического контакта концов антенны 3 с внутренней стороной обсадной колонны 6 либо при подключении к антенне 3 сосредоточенной оконечной нагрузки 5).

Выполнив указанную выше нормировку согласно выражению (3), получают значения коэффициента эффективности прибора k и строят кривую профилирования коэффициента эффективности прибора по глубине (фиг.3), по которой определяют удельную электрическую проводимость (сопротивление) пластов и границы раздела пластов. Для этого применяют уравнение Максвелла (выражение 2), согласно которому производная dk/dz при переходе через границу пласта испытывает скачок, пропорциональный проводимости пласта. При этом компонента электрического поля Е_r на границе раздела двух пластов остается непрерывной.

Затем приближенно оценивают значения электрической проводимости каждого пласта σ_П(z), после чего уточняют истинные значения проводимостей σ_П(z) с учетом данных дефектоскопии обсадной колонны 6, проводимой одновременно с процессом электромагнитного каротажа с помощью высокочастотного канала прибора 1. Строят итерационный процесс минимизации невязки измеренных k^IZ(z) и теоретических k^T(z) значений коэффициента эффективности прибора в заданном интервале АВ разреза:

Для этого вводят функцию невязки:

,

где М - число измерений в интервале АВ, после чего применяют метод наименьших квадратов.

В результате задача сводится к решению нелинейного уравнения относительно вектора σ_П=(σ₁, σ₂, ... σ_L), где L - число пластов в интервале АВ. Для решения этого нелинейного уравнения применяется итерационный метод Ньютона. Уточнение вектора σ_П(z) прекращается, когда функция погрешности (невязки) W(σ_П)≤ε не превышает некоторой заданной малой величины ε. На практике эта малая величина должна соответствовать требуемой точности порядка 10% при определении электрической проводимости горных пород.

Для иллюстрации предложенного способа приведены примеры расчетных кривых профилирования коэффициента эффективности прибора (фиг.3) и профилей производных dk/dz (фиг.4) в колонне 146 мм, пересекающей пачку из шести пластов горных пород различной проводимости. Кривые профилирования отображают динамику изменения параметров электромагнитного поля при движении прибора внутри обсадной колонны, которая пересекает пласты с различными электрофизическими свойствами. Нижний конец колонны 6 находится на расстоянии z_end=300-3000 м от пачки пластов. Значения удельных электрических проводимостей пластов и вмещающих пород указаны на фиг.3 и фиг.4, где кривая 1 соответствует пачке пластов с первоначальными значениями проводимостей, кривая 2 - пачке с измененными значениями проводимостей, указанными на фигурах в скобках.

Описанный алгоритм интерпретации, именуемый INVERSE program, состоит из двух этапов:

1. По кривой коэффициента эффективности прибора (фиг.3) отбивают границы пластов. Для этого применяется первое уравнение в системе уравнений Максвелла (выражение (1).

2. Согласно решению системы уравнений Максвелла приближенно оцениваются значения электрической проводимости каждого пласта σ_П(z), после чего уточнение истинных значений проводимостей σ_П(z) производится с применением алгоритмов решения прямых задач метода электромагнитного радиопросвечивания с учетом дефектоскопии обсадной колонны 6. Строят итерационный процесс минимизации невязки коэффициентов эффективности прибора измеренных k^IZ(z) и теоретических k^T(z) в заданном интервале АВ разреза. Вычислительная схема имеет следующий вид: вводится функция невязки W(σ_п), после чего применяется метод наименьших квадратов и решают нелинейное уравнение относительно вектора σ_п с применением итерационного метода Ньютона. Вектор σ_П(z) уточняют, пока функция погрешности (невязки) не станет меньше некоторой малой величины W(σ_П)≤ε, при которой достигается требуемая точность порядка 10% при определении электрической проводимости горных пород.

На фиг.5 приведены результаты восстановления электрического разреза по кривой профилирования коэффициента эффективности прибора, полученные с помощью INVERSE program. Точное решение - сплошная ломаная линия, последовательное приближение к точному решению на итерациях с номером 3 и 5. На итерации с номером 6 решение обратной задачи восстановления электрического разреза с графической точностью совпадает с истинным разрезом.

1. Способ электромагнитного исследования горных пород за обсадной колонной, включающий возбуждение скважинным прибором в обсадной колонне и окружающих горных породах электромагнитного поля и определение параметров горных пород в процессе движения скважинного прибора вдоль обсадной колонны, отличающийся тем, что приемно-передающим устройством антенны скважинного прибора возбуждают субнизкочастотное, в диапазоне 1-10 Гц, электромагнитное поле поперечно-магнитного типа, одновременно с возбуждением измеряют ток на входе антенны, который пропорционален ϕ-компоненте магнитного поля H_ϕ(r_s), r_s - радиус источника возбуждения, определяют коэффициент эффективности прибора

где I_z,K - ток, протекающий вдоль колонны,

строят кривую коэффициента эффективности прибора по глубине, по которой определяют границы раздела пластов, строят итеррационный процесс минимизации невязки значений коэффициента эффективности прибора, полученных в результате измерений, и теоретических значений на основе математического моделирования коэффициента эффективности прибора в заданном интервале разреза и определяют значения электрической проводимости каждого пласта.

2. Способ электромагнитного исследования горных пород за обсадной колонной по п.1, отличающийся тем, что математическое моделирование основано на решении полной системы уравнений Максвелла для амплитуд электрического и магнитного полей с гармоническим источником магнитного типа, имеющей вид

где Е_r, E_z - r- и z-компоненты электрического поля, - ϕ-компонента магнитного тока.