Способ и устройство для формирования изображения по данным микрокаротажа тензорных сопротивлений при использовании буровых растворов на углеводородной основе

Изобретение относится к скважинным измерениям. Сущность: в несфокусированном устройстве для формирования изображения по данным метода сопротивлений токи подают в скважину в горизонтальном и вертикальном направлениях. Для измерения напряжений в ортогональных направлениях при каждой из подач тока используют установленные на прижимном башмаке электроды. Используют результаты измерений первого, второго, третьего и четвертого напряжений и поворот координат для оценки горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород с наклонными пластами. Технический результат: нечувствительность к углу наклона пласта в несфокусированном приборе и при использовании бурового раствора на углеводородной основе. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к разведочным работам на нефть и газ, включающим электроразведочные работы в стволе скважины, пробуренной в толще пород. Более точно настоящее изобретение относится к скважинным исследованиям с высокой степенью локализации, включающим внесение и измерение токов отдельных зондов, которые подают в стенку ствола скважины посредством емкостной связи электродов на зонде, перемещающемся по стволу скважины, пробуренной в толще пород.

Уровень техники

Электрический каротаж скважины хорошо известен, и описаны различные устройства и методы, которые применяют в этих целях. Вообще говоря, существуют две категории устройств, которые применяют в зондах электрического каротажа. К первой категории относится измерительный электрод (источник или сток тока), который применяют в сочетании с диффузионным обратным питающим электродом (таким как корпус зонда). Измерительный ток по цепи, соединяющей источник тока с измерительным электродом, поступает через толщу пород в обратный питающий электрод и обратно в источник напряжения в зонде. В приборах индукционного каротажа внутри измерительного прибора находится антенна, которая индуцирует прохождение тока через толщу пород. Величину индуцированного тока определяют с использованием той же антенны или отдельной приемной антенны. Настоящее изобретение относится к первой категории.

Известны методы исследования толщи пород с использованием группы измерительных электродов. Так, например, в US 2930969, выданном на имя Baker, СА 685727, выданном на имя Mann и др.; US 4468623, выданном на имя Gianzero, US 5502686, выданном на имя Dory и др., и 6348796, выданном на имя Evans, правопреемником которых является правопреемник настоящего изобретения и содержание которых в порядке ссылки включено в настоящую заявку, описано устройство для получения изображений ствола скважины по данным метода сопротивлений, имеющее группу измерительных электродов, отделенных от прижимного башмака или корпуса прибора фокусирующим электродом. Потенциал фокусирующего электрода поддерживают на чуть более высоком уровне, чем потенциал измерительных электродов. В толщу пород подают модулированный ток на несущей 1 МГц. При использовании в непроводящем флюиде емкостную связь между электродом и проводящей толщей пород обеспечивает диэлектрик флюида. При использовании в проводящем скважинном флюиде в цепь может быть включен дополнительный конденсатор. Ток в измерительном электроде является показателем удельной проводимости толщи пород.

В случае буровых растворов на углеводородной основе альтернативой фокусированных методов являются несфокусированные методы, такие как используются в устройстве по патенту Evans. В таких устройствах электродами являются измеряющие напряжение электроды на непроводящем прижимном башмаке. Источник тока и обратный ток обеспечивают прохождение тока через толщу пород параллельно прижимному башмаку, а разность напряжений на электродах является показателем удельного сопротивления толщи пород. Смотри, например, US 6191588, выданный на имя Chen, WO 2005/006023 (заявитель - Cheung и др.). За счет применения такого устройства преимущественно устраняются сложности, связанные с колебаниями отклонения отдельных электродов от стенки ствола скважины. В настоящей заявке такие устройства именуются "четырехполюсными" устройствами, а соответствующие методы - "четырехполюсными" методами.

Тем не менее, поскольку в четырехполюсных методах измеряют удельное сопротивление толщи пород с использованием электродов, расположенных параллельно стенке ствола скважины, в случае слоистой или другой неоднородной толщи пород изображение будет зависеть от направления измерения. Это ограничение не относится к обычным формирователям изображений по данным метода сопротивлений, таким как описаны в патенте Evans, которые измеряют радиальный профиль удельного сопротивления толщи пород. В частности, если плоскость напластования наклонена относительно плоскости, образованной рядом электродов несфокусированного устройства, результатом измерения удельного сопротивления будет являться сочетание горизонтального и вертикального удельного сопротивления (которые в настоящей заявке именуются параллельными и перпендикулярными плоскости напластования).

На фиг.2 (уровень техники, патент Evans) проиллюстрирован пример группы измерительных электродов 115а, 115b, 115с…, которые расположены внутри преимущественно прямоугольного экранированного электрода 103 с зазорами 107а (в которых находится изоляционный материал). Экранированный электрод 103 отделен от прижимного башмака или корпуса 101 преимущественно прямоугольным изоляционным зазором 107b. В одном из вариантов осуществления изобретения интервал между измерительными электродами выбирают таким образом, чтобы они перекрывали друг друга по азимуту и глубине, т.е. диаметр D измерительного электрода превышает интервал d₁ по горизонтали между электродами 115b, 115с в соседних рядах и интервал d₂ по вертикали между рядами электродов. В другом варианте осуществления изобретения электроды не перекрывают друг друга по азимуту и глубине, но за счет расширения измерительного луча, используемого в патенте Evans, обеспечивают перекрывание исследуемой области по азимуту и глубине скважины.

На фиг.3 показана скважина 121, пробуренная в пластах наклонного залегания. Пласты наклонного залегания обозначены позицией 123. Когда сфокусированный формирователь изображений, такой как описан в патенте Evans, доставляют в скважину, он должен определять горизонтальное удельное сопротивление толщи пород (удельное сопротивление, параллельное плоскости напластования), если плоскость прижимного башмака перпендикулярна оси y. Это объясняется тем, что сфокусированные токи поступают в толщу пород в радиальном направлении, т.е. вдоль оси y и параллельно плоскости напластования. С другой стороны, если плоскость прижимного башмака перпендикулярна оси х, радиально направленные токи из скважины будут пересекать плоскость напластования и подвергаться влиянию как горизонтального, так и вертикального удельных сопротивлений толщи пород. Тем не менее, поскольку на ток, поступающий в толщу пород, в основном влияют проводящие пласты, на результаты измерений, осуществляемых сфокусированным формирователем изображений, за исключением случаев крутопадающих пластов, и в этом случае влияет удельное сопротивление, параллельное плоскости напластования. При промежуточных углах расположения поверхности прижимного башмака (между осями х и y) на ток центрального электрода прибора будет влиять как горизонтальное, так и вертикальное удельное сопротивление.

В настоящем изобретении предложены способ и устройство, которые относительно нечувствительны к углу наклона пласта и применимы в несфокусированном приборе в скважине, а также при использовании бурового раствора на углеводородной основе.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из вариантов осуществления изобретения предложено устройство для оценки толщи пород. Устройство включает каротажный прибор, доставляемый в скважину, пробуренную в толще пород. С помощью первой пары токовых (питающих) электродов подают первый ток в толщу пород. С помощью первой пары измерительных (приемных) электродов прибора осуществляют измерение первого напряжения в первом направлении. С помощью второй пары измерительных электродов осуществляют измерение второго напряжения во втором направлении, по существу ортогональном первому направлению. Процессор использует результаты измерений первого и второго напряжений для расчета горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород с использованием поворота координат.

В другом варианте осуществления изобретения предложен способ оценки толщи пород. В толщу пород подают ток. Измеряют разность напряжений в первом и втором направлениях, преимущественно ортогональных друг другу. На основании обеих разностей напряжений и поворота координат рассчитывают горизонтальное удельное сопротивление и вертикальное удельное сопротивление толщи пород.

В другом варианте осуществления изобретения предложен машиночитаемый носитель для использования с устройством для оценки толщи пород. Устройство включает каротажный прибор, доставляемый в скважину, пробуренную в толще пород. С помощью первой пары токовых электродов подают первый ток в толщу пород. С помощью двух пар измерительных электродов измеряют разность напряжений в двух преимущественно ортогональных направлениях. Носитель содержит команды, позволяющие процессору использовать результаты измерений напряжения для расчета горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород с использованием преобразования координат.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения оно проиллюстрировано на приложенных чертежах, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:

на фиг.1 показан предложенный в изобретении каротажный прибор, подвешенный в стволе скважины,

на фиг.2 (уровень техники) - механическая схема известного из уровня техники сфокусированного формирователя изображений,

на фиг.3 - скважина, пробуренная в наклонном пласте,

на фиг.4 - расстановка электродов для измерения разностей потенциалов как по вертикали, так и по горизонтали при возбуждении током в вертикальном направлении,

на фиг.5 - расстановка электродов для измерения разностей потенциалов как по вертикали, так и по горизонтали при возбуждении током в горизонтальном или азимутальном направлении,

на фиг.6а - вид спереди прижимного башмака, ось y которого проходит вдоль плоскости напластования,

на фиг.6б - вид спереди прижимного башмака, ось х которого проходит вдоль плоскости напластования,

на фиг.7а и 7б - варианты фиг.4 и 5, в которых электроды повернуты, и

на фиг.8 - расстановка электродов для измерения разностей тензорных потенциалов во множестве азимутальных положений с использованием трех рядов электродов.

Подробное описание изобретения

Для надлежащего понимания настоящего изобретения рассмотрим его со ссылкой на фиг.1-5. На фиг.1 показан прибор 10 для формирования изображения (формирователь изображения), подвешенный в стволе 12 скважины, пробуренной в толщах пород 13, на соответствующем кабеле 14, который проходит через шкив 16, установленный на буровой вышке 18. Согласно отраслевому стандарту кабель 14 включает несущий элемент и семь проводников для передачи команд прибору и приема данных, поступающих от прибора, а также для питания прибора. Прибор 10 поднимают и спускают на буровой лебедке 20. Находящийся на поверхности 23 электронный модуль (ЭМ) 22 передает необходимые команды и в ответ принимает данные, которые могут быть сохранены в архивном запоминающем устройстве любого желаемого типа для одновременной или последующей обработки. Данные могут передаваться в аналоговой или цифровой форме. Для анализа данных в полевых условиях в режиме реального времени могут быть использоваться процессоры данных, такие как соответствующий компьютер (ПР) 24, или зарегистрированные данные могут передаваться в центр обработки для их последующей обработки.

На фиг.2 (уровень техники) проиллюстрирована группа измерительных электродов 115а, 115b, 115с…, которые расположены внутри преимущественно прямоугольного экранированного электрода 103 с зазорами 107а (в которых находится изоляционный материал). Экранированный электрод 103 отделен от прижимного башмака или корпуса 101 преимущественно прямоугольным изоляционным зазором 107b. В одном из вариантов осуществления изобретения интервал между измерительными электродами выбирают таким образом, чтобы они перекрывали друг друга по азимуту и глубине, т.е. диаметр D измерительного электрода превышает интервал d₁ по горизонтали между электродами 115b, 115с в соседних рядах и интервал d₂ по вертикали между рядами электродов. Прижимной башмак может быть выдвинут от корпуса каротажного прибора с помощью соответствующего выдвижного устройства.

Рассмотрим фиг.4, на которой показан шток 151, являющийся частью каротажного прибора. Для упрощения иллюстрации скважина не показана. С помощью первой пары токовых электродов 153, 155 подают ток в вертикальном направлении через толщу пород (параллельно стволу скважины). С помощью первой пары электродов 161а, 161b, которая может быть названа первой парой измерительных электродов, измеряют напряжение V_zz в вертикальном направлении. Если плоскость прижимного башмака перпендикулярна оси y, с помощью второй пары измерительных электродов 163а, 163b измеряют напряжение V_xx в горизонтальном направлении (по окружности ствола скважины). В данном случае первым нижним индексом обозначено направление подачи тока, а вторым нижним индексом - направление изменения падения потенциала. По аналогии, как показано на фиг.5, с помощью пары расставленных по горизонтали токовых электродов 173, 175 подают ток в горизонтальном направлении (по окружности ствола скважины). С помощью электродов 181а, 181b измеряют напряжение V_xz, а с помощью расставленных по азимуту электродов 183а, 183b измеряют напряжение V_xx. Эти же измерительные электроды могут использоваться для измерения напряжения, создаваемого вертикальным движением тока и горизонтальным движением тока. Измерения, осуществляемые с помощью электродов, показанных на фиг.4 и 5, могут быть объединены в тензоре:

,

который может быть записан в терминах тензора R кажущегося удельного сопротивления:

,

где K_х и K_z означают геометрические коэффициенты горизонтального (азимутального) и вертикального возбуждений соответственно. Их определяют путем моделирования результатов или путем соответствующих калибровочных измерений в резервуаре для измерения дебита скважины.

Тензор R удельного сопротивления согласно уравнению (2) в системе координат прибора может быть получен путем последовательных поворотов тензора удельного сопротивления в системе земных координат:

,

,

где R_h и R_ν означают удельные сопротивления толщи пород параллельно и перпендикулярно плоскостям напластования соответственно, а θ означает угол между плоскостью напластования и продольной осью прибора. Следует подчеркнуть, что приведенный выше анализ применим к ситуации, проиллюстрированной на фиг.3, когда плоскость напластования ортогональна оси y. Специалисты в данной области техники также признают, что с помощью уравнения (3) осуществлено приведение к диагональному виду результатов измерения тензора R удельного сопротивления. Таким образом, если измерения осуществляют при расположении прижимного башмака вдоль оси у, можно восстановить горизонтальное и вертикальное удельные сопротивления, а также угол θ наклона. Обычно большее собственное значение соответствует вертикальному удельному сопротивлению, а меньшее собственное значение соответствует горизонтальному удельному сопротивлению.

Рассмотрим фиг.6а, на которой показан прижимной башмак 203, расположенный вдоль плоскости 201 напластования, когда прижимной башмак ориентирован вдоль оси y. При этой ориентации R_xx и R_zz удовлетворяют зависимости:

;

.

Когда башмак расположен не ортогонально оси y, тем не менее, можно разложить по собственным значениям результаты измерения тензора R удельного сопротивления, но восстановленные собственные значения уже не будут являться значениями горизонтального и вертикального удельных сопротивлений толщи пород. Как показано на фиг.6б, при этой ориентации R_yy и R_zz будут удовлетворять следующей зависимости:

;

.

Можно доказать, что отношение большего собственного значения к меньшему собственному значению является наибольшим, когда поверхность башмака ортогональна оси y. Таким образом, исходя из признания этого факта, можно использовать результаты измерений множества башмаков каротажного прибора, каждый из которых обращен в различное направление, для определения горизонтального и вертикального удельного сопротивления толщи пород. Для этого просто осуществляют разложение по собственным значениям согласно уравнению (3) для каждого прижимного башмака и определяют конкретный набор электродов конкретного башмака, у которых соотношение собственных значений является максимальным. Затем этот прижимной башмак идентифицируют как расположенный перпендикулярно плоскости напластования, а соответствующие собственные значения принимают за значения горизонтального и вертикального удельных сопротивлений. В качестве альтернативы, в случае измерений во время бурения (MWD, от английского - measurement while drilling) для определения угла наклона пласта и горизонтального и вертикального удельных сопротивлений могут быть использованы измерения, осуществляемые с помощью одного прижимного башмака в процессе поворота прибора.

Когда плоскость прижимного башмака перпендикулярна оси х, сфокусированный прибор согласно патенту Evans будет измерять смешанное удельное сопротивление, параллельное и перпендикулярное плоскостям напластования. Количество тока, поступающее в толщу пород, будет обусловлено проводящими пластами. Следовательно, именно удельное сопротивление, параллельное плоскости напластования, контролирует измерение тока, за исключением крутопадающих пластов. Следовательно, для имитации изображения по данным сфокусированного каротажа сопротивлений и в этом случае желательно измерение удельного сопротивления, параллельного плоскости напластования. При других положениях прижимного башмака результатом измерения будет нечто среднее между двумя описанными случаями.

Могут использоваться другие ориентации электродов при условии, что оба измеряемых компонента ортогональны друг другу. Например, на фиг.7а показана расстановка, при которой путь тока является вертикальным и используют две пары электродов для измерения напряжений V_z1 и V_z2, а на фиг.7б показана расстановка, при которой путь тока является горизонтальным (ортогональным пути тока на фиг.7а) и те же самые электроды используют для измерения напряжений V_x1 и V_x2.

На фиг.8 показана расстановка, при которой для измерения разности напряжений во множестве горизонтальных и вертикальных положений может использоваться множество пар измерительных электродов.

Следует отметить, что изобретение описано в целом применительно к определению горизонтального и вертикального удельного сопротивления толщи пород. Специалисты в данной области техники согласятся, что способ также применим для определения горизонтальной удельной проводимости и вертикальной удельной проводимости; соответственно, определение горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления следует интерпретировать как включающее в себя определение горизонтальной удельной проводимости и вертикальной удельной проводимости. Следует дополнительно отметить, что устройство также способно обеспечить изображение скважины по данным метода сопротивлений с использованием результатов измерений, осуществляемых с помощью соседних наборов электродов.

При всех описанных выше конфигурациях электродов вертикальное протекание тока может быть обеспечено путем использования токовых электродов, расположенных на прижимном башмаке или на удалении от прижимного башмака. Во втором случае электроды могут быть установлены на штоке или в удаленном местоположении на бурильной колонне (или КНБК). Горизонтальное протекание тока может быть обеспечено с использованием токовых электродов на прижимном башмаке.

Подразумевается, что при обработке данных может использоваться компьютерная программа, реализованная на соответствующем машиночитаемом носителе, позволяющем процессору осуществлять управление и обработку. Подразумевается, что термин "процессор", используемый в настоящем описании, имеет традиционно широкое значение и включает такие устройства, как одноядерные компьютеры, многоядерные компьютеры, распределенные вычислительные системы, программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA, от английского - field programmable gate array) и т.п. Машиночитаемым носителем, упоминаемым в описании, является любой носитель, который может быть считан машиной и может включать магнитные носители, ПЗУ, СППЗУ, ЭППЗУ, флеш-память и оптические диски. Обработка может осуществляться в скважине или на поверхности. В одном из альтернативных вариантов осуществления часть обработки может осуществляться в скважине, а остальная часть на поверхности.

Изобретение также описано применительно к каротажным приборам, рассчитанным на доставку в ствол скважины на кабеле. Тем не менее, предложенный в настоящем изобретении способ также применим в приборах для измерений во время бурения (MWD) или прибора для каротажа во время бурения (LWD, от английского - logging while drilling), которые в обоих случаях могут быть доставлены в ствол скважины на бурильной колонне или гибких НКТ малого диаметра.

Несмотря на то что в описании раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, для специалиста в данной области техники будут очевидны различные усовершенствования. Предполагается, что раскрытие охватывает все изменения, входящие в сущность и объем приложенной формулы изобретения.

1. Устройство для оценки толщи пород, включающее каротажный прибор, доставляемый в скважину, пробуренную в толще пород,
первую пару токовых электродов для подачи первого тока в толщу пород;
первую пару измерительных электродов каротажного прибора, обеспечивающих первое измерение напряжения, создаваемое первым током, в первом направлении;
вторую пару измерительных электродов каротажного прибора, обеспечивающих второе измерение напряжения, создаваемое первым током, во втором направлении, по существу, ортогональном первому направлению;
вторую пару токовых электродов для подачи второго тока в толщу пород в направлении, по существу, ортогональном направлению первого тока, при этом первая и вторая пары измерительных электродов дополнительно обеспечивают измерения третьего и четвертого напряжений, возникающих в результате протекания второго тока;
процессор, способный использовать результаты измерений первого, второго, третьего и четвертого напряжений для осуществления оценки горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород, частично основанной на повороте координат.

2. Устройство по п.1, в котором первая и вторая пары измерительных электродов расположены на прижимном башмаке, выдвигаемом от корпуса каротажного прибора.

3. Устройство по п.2, в котором по меньшей мере один электрод из первой пары токовых электродов установлен в положении, выбранном из положения на прижимном башмаке и положения на удалении от прижимного башмака.

4. Устройство по п.1, в котором направление первого тока, по существу, параллельно продольной оси каротажного прибора.

5. Устройство по п.1, в котором направление второго тока, по существу, ортогонально продольной оси каротажного прибора.

6. Устройство по п.1, в котором процессор способен осуществлять приведение к диагональному виду матрицы удельного сопротивления для оценки горизонтального и вертикального удельных сопротивлений, которую получают по результатам измерений первого, второго, третьего и четвертого напряжений.

7. Устройство по п.1, в котором процессор способен определять угол между плоскостью напластования и продольной осью каротажного прибора.

8. Устройство по п.1, имеющее множество прижимных башмаков, каждый из которых включает две пары измерительных электродов, при этом процессор способен использовать результаты измерений, осуществляемых электродами, установленными на каждом из множества прижимных башмаков, для оценки горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород.

9. Устройство по п.1, дополнительно имеющее транспортное устройство для доставки каротажного прибора в скважину, выбранное из кабеля и бурильных труб.

10. Устройство по п.1, в котором процессор способен формировать изображение скважины по данным метода сопротивлений.

11. Способ оценки толщи пород, в котором:
подают в толщу пород первый ток;
измеряют первое напряжение, создаваемое первым током в первом направлении;
измеряют второе напряжение, создаваемое первым током, во втором направлении, по существу, ортогональном первому направлению;
подают в толщу пород второй ток в направлении, по существу, ортогональном направлению первого тока;
измеряют третье напряжение и четвертое напряжение, создаваемые вторым током в первом направлении и во втором направлении;
используют результаты измерений первого, второго, третьего и четвертого напряжений и поворот координат для оценки горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород.

12. Способ по п.11, в котором при измерении первого напряжения и второго напряжения используют первую и вторую пары измерительных электродов, установленных на прижимном башмаке, выдвинутом от корпуса каротажного прибора.

13. Способ по п.11, в котором при подаче первого тока дополнительно используют пару токовых электродов, установленных в положении, выбранном из положения на прижимном башмаке и положения на удалении от прижимного башмака.

14. Способ по п.11, в котором направление первого тока, по существу, параллельно продольной оси скважины.

15. Способ по п.11, в котором направление второго тока, по существу, ортогонально продольной оси скважины.

16. Способ по п.11, в котором оценка горизонтального и вертикального удельных сопротивлений основана на приведении к диагональному виду матрицы удельного сопротивления, полученной по результатам измерений первого, второго, третьего и четвертого напряжений.

17. Способ по п.11, в котором дополнительно осуществляют определение угла между плоскостью напластования толщи пород и продольной осью каротажного прибора.

18. Способ по п.11, в котором дополнительно используют множество прижимных башмаков, каждый из которых включает две пары измерительных электродов, при этом процессор использует результаты измерений, осуществляемых электродами, установленными на каждом из множества прижимных башмаков, для оценки горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления толщи пород.