Способ и устройство электрического каротажа обсаженных скважин

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для определения удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину. Изобретение основано на использовании металлической колонны 1.1 скважины в качестве заземления одного из полюсов источника 3.1 двуполярных импульсов тока, второй полюс которого соединен через геофизический кабель 5 с токовыми электродами 2.2 многоэлементного погружного зонда 2. На текущей глубине каротажа в токовые электроды 2.2 зонда 2 поочередно подают двуполярные импульсы электрического тока относительно верхней части обсадной трубы 1.1. После каждой подачи тока измерительными электродами 2.3 зонда 2 измеряют потенциал одного из электродов 2.3 зонда 2 относительно верхней части обсадной трубы 1.1 и разность потенциалов (напряжение) между электродами 2.3. На основе измеренных значений потенциалов и напряжений между электродами 2.3 и с использованием данных о погонном электрическом сопротивлении обсадной трубы 1.1 рассчитывают УЭС. В зонде введены изоляционные вставки 2.1 между токовыми электродами 2.2 и группой измерительных электродов 2.3. Технический результат: расширение возможностей за счет обеспечения возможности измерять УЭС горных пород в условиях, когда земная поверхность представляет собой слой изолятора, например сухой песок в условиях пустыни либо слой вечной мерзлоты, повышение точности определения УЭС и уменьшение времени каротажа. 2 н. и 7 з.п. ф-лы., 9 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для определения удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.

Уровень техники.

Идею проведения электрического каротажа через металлическую обсадную колонну предложил Л.М. Альпин в 1939 году [Патент СССР №56026]. Однако, практическая реализация этого метода стала возможной только при появлении технических средств, позволяющих производить с необходимой точностью измерения параметров электрического поля на обсадке. В развитие этого вида каротажа большой вклад внесли [Krivonosoe R.I., Kashik A.S., Ryhlinskiy N.I. Apparatura dlya elektricheskogo karotazha obsazhennoy skvazhiny EKOS-31: Doklad na II kitaysko-rossiyskom nauchnom simpoziume po geofizicheskim issledovaniyam skvazhin. Shanhay, noyabr, 2002] Н.И. Рыхлинский, А.С. Кашик, Р.И. Кривоносов, B.X. Стюарт, В.Б. Вейль. Разработанное ими множество устройств и ряд способов электрокаротажа через колонну объединяет расположение наземного токового электрода на удалении от устья скважины. При этом традиционном способе измерений удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород ток от питающего электрода на зонде идет по обсадной колонне и, постепенно проникая в окружающие породы, проходит через земную толщу до электрического заземления (В-электрод), расположенного по возможности дальше от устья скважины. Потенциал зонда определяется относительно удаленного электрода, расположенного также на земной поверхности. На фиг. 1а эти электроды обозначены соответственно 1.2 и 1.3.

Одним из обязательных условий для реализации такой схемы является обеспечение надежного заземления В-электрода. А это зависит от УЭС поверхностного слоя земли, которое определяется многими факторами, основные из которых: структура и состав грунта, климатические и погодные условия местности (температура, влажность), время года, присутствие солей, глубина залегания грунтовых вод. При этом верхний слой подвержен интенсивным сезонным изменениям, вызванным температурными колебаниями, а также количеством и интенсивностью попадающей в грунт влаги. Диапазон изменения УЭС различных грунтов огромен, например, глина имеет сопротивление 1-50 Ом*м, песчаник 10-100 Ом*м, а кварц 10¹²-10¹⁴ Ом*м. В средней полосе типичными значениями для чернозема и влажных супесчаных и суглинистых грунтов являются несколько десятков Ом*м. Однако в условиях пустыни верхний слой сухого песка является изолятором (до 4000 и более Ом*м) и не может обеспечить хорошего электрического контакта между поверхностным В-электродом и грунтом. Это делает практически невозможным осуществление традиционной схемы ЭДК. Похожая ситуация в смысле электрических свойств грунта может иметь место и в районах вечной мерзлоты в зимних условиях. Возможности ЭДК также ограничиваются несовершенством конструкции зонда (не всегда обеспечивается качественный контакт измерительных электродов с обсадной колонной и существуют помеховые токи по конструкции зонда) и неоптимальностью алгоритмов обработки данных каротажа. Эти недостатки присущи всем существующим способам ЭДК. В связи с изложенным, в качестве прототипа изобретения может быть взят патент RU №2408039 от 07.12.2009, Бюлл. №36, 2010. Авторы: Рыхлинский Н.И., Кашик А.С.и др.

Согласно указанному патенту, известный способ заключается в пошаговом поднятии из скважины обсаженной металлической трубой 1.1. многоэлектродного зонда 2. Зонд 2 устройства каротажа, реализующего известный способ каротажа, состоит из N измерительных равноудаленных на расстояние L друг от друга вдоль оси скважины соседних электродов 2.3. За пределами и по разные стороны от измерительных электродов 2.3 расположены два токовых электрода 2.2. В процессе измерений УЭС на каждом шаге каротажа поочередно подают двуполярные импульсы электрического тока на токовые электроды 2.2 и измеряют потенциал одного из измерительных электродов 2.3 и разности потенциалов между каждым измерительным электродом и отстоящими от него на расстоянии. L измерительными электродами 2.3 зонда 2. На основе указанных измерений определяют удельное электрическое сопротивление (УЭС) окружающих скважину горных пород. При этом УЭС на каждом шаге каротажа определяют в N-2 точках на глубинах, соответствующих расположению измерительных электродов с номерами 2÷N-1. Для нахождения каждого из упомянутых УЭС используют данные, относящиеся к трем соседним измерительным электродам 2.3, именуемым ниже «средний, верхний, нижний» и образующим измерительную тройку, средний из которых соответствует глубине текущего каротажа, на которой измеряют УЭС. Недостатки прототипа:

- практически невозможно работать в условиях, когда верхний слой земной поверхности является изолятором (сухой песок пустыни или слой вечной мерзлоты);

- несовершенство формулы для расчета УЭС, т.к. она содержит эмпирический коэффициент и не учитывает диаметр обсадной трубы;

- погрешности в измерении потенциалов и разностей потенциалов измерительных электродов, обусловленные наличием паразитных токов в конструкции зонда;

- время нахождения зонда на каждой точке глубины не регулируется в соответствии с текущими точностными характеристиками измеряемых электрических параметров измерительных электродов, что приводит к неоправданному увеличению времени каротажа скважины.

Задачей изобретения является разработка способа и устройства электрического каротажа обсаженных скважин, позволяющих осуществлять электрический дивергентный каротаж ЭДК с более высокой точностью, за меньшее время и в сложных геолого-технических условиях.

Техническим результатом, полученным в результате решения поставленной задачи, является расширение возможностей прибора электрического каротажа обсаженных скважин за счет обеспечения работоспособности в ситуациях, когда земная поверхность представляет собой слой изолятора. Это может быть сухой песок в условиях пустыни либо слой вечной мерзлоты, не позволяющие осуществить традиционный способ электрокаротажа с расположением заземления и удаленного электрода на расстоянии от скважины. При этом обеспечивается повышение точности определения УЭС и уменьшение времени проведения каротажа.

Раскрытие сущности изобретения.

Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что способ электрического каротажа обсаженных скважин заключается в пошаговом поднятии из скважины обсаженной металлической трубой 1.1. многоэлектродного зонда 2, состоящего из N измерительных равноудаленных на расстояние L друг от друга вдоль оси скважины измерительных электродов 2.3, за пределами и по разные стороны от которых расположены два токовых электрода 2.2. В процессе измерений УЭС на каждом шаге каротажа поочередно подают двуполярные импульсы электрического тока на токовые электроды 2.2 и измеряют потенциал одного из измерительных электродов 2.3 и разности потенциалов между каждым измерительным электродом и отстоящими от него на расстояние L измерительными электродами зонда. На основе указанных измерений определяют удельное электрическое сопротивление (УЭС) окружающих скважину горных пород. При этом УЭС на каждом шаге каротажа определяют в N-2 точках на глубинах, соответствующих расположению измерительных электродов с номерами 2÷N-1. Для нахождения каждого из упомянутых УЭС используют данные, относящиеся к трем соседним измерительным электродам 2.3, именуемым ниже «средний, верхний, нижний» и образующим измерительную тройку, средний из которых соответствует глубине текущего каротажа, на которой измеряют УЭС.

Согласно изобретению, двуполярные импульсы электрического тока подают между электродами 2.2 и верхней частью обсадной трубы 1.1 скважины, а потенциал электрода зонда измеряют относительно верхней части обсадной трубы 1.1. При этом вначале подают ток I₁ между верхним токовым электродом 2.2 зонда и верхней частью обсадной трубы 1.1 скважины. При каждой подаче тока I₁ измеряют абсолютную величину потенциала U₀₁ одного из измерительных электродов 2.3 зонда 2 относительно верхней части обсадной трубы 1.1. Далее измеряют абсолютную величину разности потенциалов ΔU₁(1) между «средним» и «верхним» измерительными электродами 2.3, а также абсолютную величину разности потенциалов ΔU₁(2) между «нижним» и «средним» измерительными электродами 2.3. Затем подают ток I₂ между нижним токовым электродом зонда 2.2 и верхней частью обсадной трубы 1.1 скважины. При каждой подаче тока I₂ измеряют абсолютную величину потенциала U₀₂ одного из измерительных электродов 2.3 зонда 2 относительно верхней части обсадной трубы 1.1. Далее измеряют абсолютную величину разности потенциалов ΔU₂(1) между «средним» и «верхним» измерительными электродами, а также абсолютную величину разности потенциалов ΔU₂(2) между «нижним» и «средним» измерительными электродами 2.3. Далее на основе погонного электрического сопротивления обсадной трубы 1.1 и измеренных значений потенциалов U₀₁, U₀₂ и их разностей ΔU₁(1), ΔU₁(2), ΔU₂(1) и ΔU₂(2) на текущей глубине h каротажа вычисляют УЭС горных пород по формуле

где:

K₀(kr₀) - модифицированная функция Бесселя второго рода (функция Макдональда);

r₀ - внешний радиус обсадной трубы (колонны);

- погонное сопротивление обсадной трубы;

h - текущая глубина нахождения зонда;

L - расстояние между измерительными электродами;

H - глубина башмака обсадной трубы.

Устройство, реализующее предложенный способ электрического каротажа обсаженных скважин, содержит многоэлектродный зонд 2 двуполярного зондирования горных пород (ДЗГП), токовые 2.2 и измерительные электроды 2.3 которого соединены через геофизический кабель 5 подъемной лебедки 6 с приемо-передающим (ПП) блоком 3, соединенного интерфейсными линиями связи с цифровым блоком 4 измерения и регистрации (ИР) удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, окружающих обсадную трубу 1.1 скважины, причем блок ДГЗП снабжен электрическими контактами для подключения к токовым жилам геофизического кабеля 5, а блок ИР снабжен последовательным или параллельным выходным портом 4.8.

Доказательство связи признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.

Предложенные способ и устройство по сравнению с прототипом позволяют:

- проводить каротаж в сложных геолого-технических условиях, когда земная поверхность представляет собой слой изолятора;

- на основе усовершенствованной формулы, не содержащей эмпирические коэффициенты, более точно связать получаемые значения УЭС горных пород с измеренными скважинным зондом электрическими параметрами;

- повысить точность определения измеряемых зондом электрических параметров за счет устранения паразитных токов в конструкции скважинного зонда;

- ускорить процесс каротажа за счет оптимизации времени нахождения на точке глубины исходя из статистической оценки точности получаемых значений УЭС.

Такие технические преимущества и возможности предлагаемого способа и устройства электрического каротажа позволяют расширить функциональные возможности по нефтеразведке в массивах горных пород с высоким удельным электрическим сопротивлением и, как следствие, достичь заявленного технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 8.

На фиг. 1 представлены рисунки, поясняющие принцип электрического каротажа по известному (фиг. 1а) и предложенному (фиг. 1в) способам; на фиг. 2 - функциональная схема устройства электрического каротажа; на фиг. 3 и фиг. 4 - конструкция погружного многоэлектродного зонда с диэлектрическими вставками и включением провода между корпусами токовых электродов соответственно; на фиг. 5 и фиг. 6 конструкция выдвижных электродов зонда без применения сварных или паяных соединений и с ними соответственно; на фиг. 7 - конструкция заостренных электровводов выдвижных электродов зонда; на фиг. 8 - зависимость экспоненциального коэффициента падения потенциала вдоль оси скважины от УЭС горных пород, окружающих скважину; на фиг. 9 - представлен рисунок, поясняющий принцип измерения электрического сопротивления горных пород, окружающих скважину.

На фигурах 1-8 обозначены:

1 - схема подачи тока в скважину;

1.1 - обсадная труба;

1.2 - заземление (В-электрод);

1.3 - удаленный электрод (Иуд);

1.4 - источник тока;

2 - схема скважинного многоэлектродного зонда двуполярного зондирования горных пород (ДЗГП);

2.1 - изоляционные вставки;

2.2 - токовые электроды;

2.3 - измерительные электроды;

2.3.1 - изоляторы;

2.3.2 - заостренный электроввод;

2.3.3 - провода;

2.3.4 - пайка или сварка;

2.3.5 - гибкий проводник;

2.3.6 - вводы для пайки проводов;

2.4 - соединительный провод между корпусами токовых электродов;

3 - блок сопряжения со скважинным прибором;

3.1 - блок формирования импульсов;

3.2 - силовой источник электропитания;

3.3 - сопряжение с кабелем;

3.4 - модем;

3.5 - данные замера;

4 - блок регистрации данных и управления;

4.1 - блок управления;

4.2 - блок анализа качества результатов текущих измерений;

4.3 - блок приема и накопления данных замера;

4.4 - блок оперативного расчета электрического сопротивления (УЭС);

4.5 - линия передачи сигнала «формирование условий замера»;

4.6 - линия передачи сигнала «завершение замера»;

4.7 - линия передачи команд управления модемом 3.4 блока 3;

4.8 - выходной порт по значениям УЭС;

4.9 - линия передачи сигнала управления параметрами двуполярных импульсов на блок 3.1;

5 - геофизический кабель.

6 - подъемная лебедка.

Раскрытие изобретения

Изобретение стало возможным благодаря исследованиям авторов в области электрического каротажа. В результате исследований обнаружено, что в качестве наземного токового электрода (заземления) и удаленного электрода можно использовать верхнюю часть обсадки (фиг. 1в). На первый взгляд, это является коротким замыканием через колонну, и о распространении тока в массиве горных пород не может быть и речи. Однако не следует полагаться на как бы очевидное. Авторами была произведена оценка сопротивления изолированной стальной колонны длиной 1000 м и такой же, но находящейся в массиве горных пород с УЭС в несколько ОМ*м.

Оказалось, что во втором случае сопротивление между верхом и низом колонны уменьшается в несколько раз (3-4 раза). Это говорит о том, что в процессе прохождения тока между верхом и низом колонны большая часть тока распространяется в массиве горных пород. Это дает возможность использовать в качестве заземления (В-электрод) устье скважины. При этом результат измерения потенциала зонда, полученный на электроде Иуд, должен быть скорректирован.

Ранее, на основе экспертной оценки было установлено, что при нахождении зонда вблизи башмака колонны (обсадной трубы 1.1) величина измеренного потенциала должна быть уменьшена вдвое. Это четко подтвердилось при каротаже на одной из скважин в Сибири, когда был проведен каротаж традиционным и предложенным способами. Это было также успешно применено в Кувейте. Позже на математических моделях было установлено, что при произвольном расположении зонда в скважине абсолютная величина потенциала зонда U может быть представлена зависимостью

где U₀ - абсолютная величина потенциала одного из измерительных электродов относительно верхней части обсадки;

h - глубина нахождения зонда;

H - глубина башмака колонны.

Определим функциональную связь между УЭС, параметрами обсадки и потенциалами, измеренными зондом.

Для измерения удельного электрического сопротивления массива горных пород, пересеченного скважиной, обсаженной металлической колонной, используется явление оттекания тока от проводника в окружающую его низкопроводящую среду под действием радиальной компоненты электрического поля.

Потенциал в среде, окружающей обсадку, подчиняется уравнению Лапласа, которое при осевой симметрии имеет вид

и условию U(r, z)→0 при r→∞.

Решением нулевого порядка, удовлетворяющим (2), является U(r,z)=e^±kzK₀(kr),

где K₀(kr) - модифицированная функция Бесселя второго рода (функция Макдональда);

знаки + и - соответствуют токам, распространяющимся в отрицательном и положительном направлениях относительно z соответственно;

k - параметр, определяемый по значениям электрического поля на обсадной колонне.

Пусть металлическая обсадная колонна имеет цилиндрическую форму с внешним радиусом r₀ и обладает погонным удельным сопротивлением R, а удельное сопротивление окружающей среды равно ρ.

Тогда в соответствии с (2), в локальной области пространства на некоторой глубине z₀ потенциал может быть представлен функцией

где

U₀ - значение потенциала при r=r₀, z=z₀;

А и В числовые коэффициенты, соответствующие компонентам тока, распространяющимся в отрицательном и положительном направлениях соответственно (A+B=1);

В соответствии с законом Ома плотность радиального тока j_r, потенциал U и удельное электрическое сопротивление ρ в окружающей колонну среде связаны формулой

Из (3) следует

Здесь (функция Макдональда 1-го порядка). При z=z₀ и r=r₀ (5) приобретает вид

Подставляя (6) в (4), получаем

Тогда ток, отходящий от элемента обсадки единичной высоты, равен

Этот радиальный ток равен уменьшению тока по обсадке на единице длины, которое определяется по изменению потенциала на ее поверхности вдоль оси z. Оно равно:

Поэтому из (8) и (9) следует:

Потенциал и его вторая производная по z при z=z₀ и r=r₀ равны:

Отсюда

Подстановка (13) в (10) дает

Для типичных значений r₀=0.1 м и R=5⋅10^-5 Ом/м зависимость k от ρ, определяемая уравнением (14), представлена на Фиг. 8. Из нее следует, что при удельных сопротивлениях массива горных пород ρ>1 Ом*м величина k не превышает 0.01. При этом величина kr вблизи скважины не более 0.001.

Так как kr₀<<1, то

Из (10) и (15) получаем:

где, исходя из (13),

Приведенный ниже алгоритм определения УЭС массива горных пород разработан на основе формул (16)и(17) и с учетом дискретности измерений и влияния мешающих факторов.

Падение напряжения вдоль обсадной трубы связано с ее погонным сопротивлением и величиной тока I, проходящего через ее поперечное сечение:

Тогда вторая производная

Отсюда

Отсюда видно, что уменьшение тока на единице длины обсадки не может быть определено при неоднородности обсадки только по изменению потенциала. Но так как при изменении направления тока первый член в (18) остается неизменным, а второй, вызванный неоднородностью материала трубы, меняет свой знак, то это позволяет путем использования схем измерений со встречным направлением тока устранить влияние неоднородности обсадки.

При выполнении измерений в скважине производные заменяются разностными аналогами. Аналог второй производной требует измерений в трех точках, отстоящих по глубине на L (это расстояние между измерительными электродами):

по величине на несколько порядков меньше тех величин, разностью которых она является. Поэтому даже небольшие погрешности в определении первых разностей потенциалов приводят к значительным ошибкам. Одним из основных источником погрешностей является неравность сопротивлений участков колонны, обусловленная неоднородностью колонны и неравенством расстояний от среднего измерительного электрода до верхнего и нижнего электродов. Для исключения погрешностей применяется встречная система измерений, при которой определяются разности потенциалов между измерительными электродами при различном направлении тока в колонне.

Схему измерений иллюстрирует Фиг. 9, где

L - расстояние между измерительными электродами;

R₁ и R₂ - сопротивления верхнего и нижнего участков обсадки между измерительными электродами;

стрелками показаны направления тока по обсадке при подаче тока через питающие электроды А₁ и А₂;

i₁, i₂ - уменьшение тока на вертикальном участке длиной L при подаче тока через питающие электроды А₁ и А₂;

ΔU₁(1), ΔU₁(2), ΔU₂(1) и ΔU₂(2) - первые разности, определяемые токами по колонне, сопротивлениями участков обсадки и токами утечки i₁, i₂, оттекающими в массив горных пород.

В соответствии с Фиг. 9, может быть записана система уравнений для первых разностей:

Выполним некоторые преобразования и вычисления.

(21)-(22) равно

Здесь были использованы равенства:

Из (23) следует:

Уменьшение тока по обсадке на длине L равно току, оттекающему в массив горных пород, поэтому i₁ и i₂ равны по величине соответствующим радиальным токам с той же длины L, так что, учитывая (8) и (15),

где U₁ и U₂ - потенциалы зонда при подаче тока с электрода A₁ и А₂ соответственно.

Подставляя выражения (25) для i₁ и i₂ в (24) получаем

Отсюда

Потенциалы зонда U₁, и U₂ равны, в соответствии с (1),

где U₀₁ и U₀₂ - потенциалы зонда относительно верхней части обсадки (устья скважины), к которой присоединены токовый и удаленный электроды. Из (27) и (28) следует:

Из (9), (13) и (24):

Формулы (29) и(30) учитывают неоднородность погонного сопротивления колонны и неравенство расстояний крайних измерительных электродов от центрального. В них не содержится эмпирических коэффициентов.

Так как величина kr₀<<1, то для практического применения входящая в формулу (30) функция Макдональда может быть с высокой степенью точности аппроксимирована приближением

, где постоянная Эйлера С≈0.5772.

Устройство, реализующее предложенный способ электрического каротажа обсаженных скважин, содержит многоэлектродный зонд 2 двуполярного зондирования горных пород (ДЗГП), токовые 2.2 и измерительные 2.3 электроды которого соединены через геофизический кабель 5 подъемной лебедки 6 с приемо-передающим (ПП) блоком 3, соединеного интерфейсными линиями связи с цифровым блоком 4 измерения и регистрации (ИР) удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, окружающих обсадную трубу 1.1 скважины, причем блок ДГЗП снабжен электрическими контактами для подключения к токовым жилам геофизического кабеля 5, а блок ИР снабжен последовательным или параллельным выходным портом 4.8.

При этом многоэлектродный зонд 2 ДЗГП устройства электрического каротажа обсаженных скважин выполнен с возможностью снижения токов утечки между токовыми 2.2 и измерительными электродами 2.3. Для этого он содержит удлиненный корпус, с верхней и нижней стороны которого установлены токовые электроды 2.2. Между токовыми электродами 2.2 установлена группа измерительных электродов 2.3, электрически изолированная от токовых электродов 2.2 диэлектрическими вставками 2.1. Токовые 2.2 и измерительные 2.3 электроды зонда 2 выполнены заостренными 2.3.2 и установлены на выдвижных диэлектрических рычагах 2.3.1. Снабжены также электрическими клеммами 2.3.6 с гибкими проводниками 2.3.3 для соединения токовых 2.2 и измерительных 2.3 электродов через геофизический кабель 5 с токовым выходом и сигнальным входом блока 3 ПП соответственно.

Блок 3 ПП, выполнен с возможностью генерации двуполярных токовых импульсов и содержит последовательно соединенные силовой источник 3.2 электропитания и блок 3.1 формирования двуполярных импульсов (ФДИ). Блок ФДИ снабжен электрическими контактами, для подключения блока ФДИ к токовым жилам геофизического кабеля 5 и к верхней части обсадной трубы 1.1. Блок ФДИ также содержит последовательно соединенные приемник 3.3 сигналов измерительных электродов 2.3 и модем 3.4. Сигнальный выход и управляющий вход модема 3.4 по данным замера электрических потенциалов и их разностей 3.5 и командам 4.7 управления соединены соответственно с сигнальным входом и первым управляющим выходом цифрового блока 4 ИР.

Цифровой блок 4 ИР, выполнен с возможностью расчета УЭС горных пород при коротящем воздействии обсадной трубы 1.1 на процесс измерений УЭС горных пород. Для этого он содержит последовательно соединенные блок 4.3 приема и накопления данных замера потенциалов и разности электрических потенциалов между измерительными электродами 2.3. Блок 4.4 оперативного расчета УЭС с выходным портом 4.8, блок 4.2 анализа качества результатов текущих измерений УЭС и блок 4.1 управления каротажем снабжен комплексом интерфейсных линий 4.5, 4.6, 4.7, 4.9 связи для передачи команд управления зондированием горных пород и приемом данных измерений потенциалов и их разностей на блок 3 ПП.

Комплекс интерфейсных линий связи включает линию 4.5 для передачи сигнала «формирование условий замера», линию 4.6 передачи сигнала «завершение замера» на силовой источник 3.2 электропитания, линию 4.9 передачи сигнала управления параметрами двуполярных импульсов на блок 3.1 ФДИ и линию 4.7 передачи команд управления модемом 3.4 блока 3 ПП.

Блок 4.4 блока 4 ИР снабжен программой вычисления УЭС горных пород по формуле

где:

K₀(kr₀) - модифицированная функция Бесселя второго рода (функция Макдональда);

r₀ - внешний радиус обсадной трубы;

- погонное сопротивление обсадной трубы;

h - текущая глубина нахождения зонда;

H - глубина башмака колонны.

Цифровой блок 4 ИР выполнен модульной конструкции на перепрограммируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или в виде электронной вычислительной машины (ЭВМ), снабженной программой измерения и регистрации УЭС.

Работа устройства электрического каротажа по предлагаемому способу состоит в следующем.

Перед началом каротажа контактный провод блока 3.1 ФДИ заземляют на «устье» обсадной трубы 1.1, а другой контактный провод соединяют с токовыми жилами геофизического кабеля 5 для подачи двуполярного импульса тока на токовые электроды 2.2 зонда 2. Контактный провод блока 3.3 соединяют с измерительными жилами геофизического кабеля 5, а другой контактный провод соединяют с устьем обсадной трубы 1.1. Погружают зонд 2.2 в скважину на глубину начала каротажа. Затем с заданным шагом измерений УЭС поднимают с помощью лебедки 6 зонд 2 внутри обсадной трубы 1.1. На каждом шаге глубинного каротажа соединяют токовые 2.2 и измерительные 2.3 электроды с внутренними стенками обсадной трубы 1.1 с помощью выдвижных рычагов 2.3.1.

После электрического контакта со стенками обсадной трубы 1.1 по заданной в блоке ИР программе блок управления 4.1 выдает команду по линии 4.5 на функционирование согласно условиям замера силового источника питания 3.2, который посредством блока формирования импульсов 3.1 (ФДИ) вырабатывает серию двуполярных импульсов, параметры которых передаются в этот блок от управляющего блока 4.1 по линии 4.9.

Двуполярные иимпульсы тока, поочередно подаются на верхний и нижний токовые электроды 2.2. При этом ток проходит по токовым жилам геофизического кабеля, в точке контакта токового электрода входит в обсадную трубу, затем распространяется по ней вверх и вниз, постепенно уменьшаясь по величине за счет утечки части тока в окружающий массив горных пород. Вблизи устья осадной трубы происходит обратный процесс собирания тока из массива и сложение с током, идущим по трубе. Через контактный провод, идущий от устья обсадной трубы, ток возвращается к блоку формирования импульсов.

Первичные данные измерений потенциала зонда 2 и разностей потенциалов между измерительными электродами 2.3 поступают через блок 3.3 сопряжения с кабелем и модем 3.4 в блок 4.3 накопления и приема данных замера, по которым в блоке 4.4 производится оперативный расчет удельного электрического сопротивления. Полученное значение УЭС и первичные данные измерений на электродах зонда передаются в блок 4.2 анализа качества результата. В этом блоке оценивается статистическая погрешность результата и принимается решение о завершении каротажа на данной глубине с выдачей результата УЭС на выходной порт 4.8, либо о дальнейшем продолжении серии подачи двуполярного тока с целью повысить точность определения УЭС за счет увеличения статистики. В первом случае от блока 4.2 анализа результатов в управляющий блок 4.1 по линии 4.6 поступает сигнал о завершении замера на данной глубине, а во втором случае о продолжении замера. Блок 4.1 также связан линией 4.7 с модемом 3.4 для управления процессом сбора данных. Результаты измерений УЭС на текущей глубине каротажа передается на выходной порт 4.8 устройства каротажа. Далее лебедкой 6 производят подъем зонда 2 на очередную точку каротажа и процесс измерения УЭС горных пород, окружающих обсадную колонну (металлическую трубу 1.1) скважины, повторяется.

Промышленная применимость

Опытные образцы, изготовленные в соответствии с заявленным изобретением, успешно испытаны на месторождениях Западной Сибири и Кувейта. При этом одновременно наблюдалось повышение точности определения УЭС горных пород, окружающих обсадную колонну, и уменьшение времени проведения каротажа.

1. Способ электрического каротажа обсаженных скважин, заключающийся в пошаговом поднятии из обсаженной металлической трубой 1.1 скважины многоэлектродного зонда 2, состоящего из N измерительных равноудаленных на расстояние L друг от друга вдоль оси скважины соседних электродов 2.3, за пределами и по разные стороны от которых расположены два токовых электрода 2.2, в которые на каждом шаге каротажа поочередно подают двуполярные импульсы электрического тока и измеряют потенциал одного из измерительных электродов 2.3, подаваемые токи и разности потенциалов между каждым измерительным электродом и отстоящими от него на расстояние L измерительными электродами, на основе указанных измерений электрических сигналов определяют удельное электрическое сопротивление (УЭС) окружающих скважину горных пород, причем УЭС на каждом шаге каротажа определяют в N-2 точках на глубинах, соответствующих расположению измерительных электродов с номерами 2÷N-1, а для нахождения каждого из упомянутых УЭС используют данные, относящиеся к трем соседним измерительным электродам, именуемым ниже «средний, верхний, нижний» и образующим измерительную тройку, средний из которых соответствует глубине текущего каротажа, на которой измеряют УЭС, отличающийся тем, что двуполярные импульсы электрического тока подают между электродами 2.2 и верхней частью обсадной трубы 1.1 скважины, а потенциал электрода зонда измеряют относительно верхней части обсадной трубы 1.1, при этом в процессе каротажа вначале подают ток I₁ между верхним токовым электродом 2.2 зонда и верхней частью обсадной трубы скважины, при каждой подаче тока I₁ измеряют абсолютную величину потенциала U_0l одного из измерительных электродов 2.3 зонда 2 относительно верхней части обсадной трубы 1.1, далее измеряют абсолютную величину разности потенциалов ΔU₁(1) между «средним» и «верхним» измерительными электродами 2.3, а также абсолютную величину разности потенциалов ΔU₁(2) между «нижним» и «средним» измерительными электродами 2.3, затем подают ток I₂ между нижним токовым электродом 2.2 зонда и верхней частью обсадной трубы 1.1 скважины, при каждой подаче тока I₂ измеряют абсолютную величину потенциала U₀₂ одного из измерительных электродов 2.3 зонда 2 относительно верхней части обсадной трубы 1.1, далее измеряют абсолютную величину разности потенциалов ΔU₂(1) между «средним» и «верхним» измерительными электродами 2.3, а также абсолютную величину разности потенциалов ΔU₂(2) между «нижним» и «средним» измерительными электродами 2.3, далее на основе погонного электрического сопротивления обсадной трубы 1.1 и измеренных значений потенциалов U₀₁, U₀₂ и их разностей ΔU₁(1), ΔU₁(2), ΔU₂(1) и ΔU₂(2) на текущей глубине h каротажа вычисляют УЭС горных пород.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вычисление УЭС горных пород производят по формуле

где:

K₀(kr₀) - модифицированная функция Бесселя второго рода (функция Макдональда);

r₀ - внешний радиус обсадной трубы;

- погонное сопротивление обсадной трубы;

h - текущая глубина нахождения зонда;

Н - глубина башмака обсадной трубы.

3. Устройство электрического каротажа обсаженных скважин, характеризующееся тем, что оно содержит многоэлектродный зонд 2 двуполярного зондирования горных пород (ДЗГП), состоящий из N измерительных равноудаленных на расстояние L друг от друга вдоль оси скважины соседних электродов 2.3, за пределами и по разные стороны от которых расположены два токовых электрода 2.2, токовые 2.2 и измерительные 2.3 электроды соединены через геофизический кабель 5 подъемной лебедки 6 с приемо-передающим (ПП) блоком 3, соединенным интерфейсными линиями связи с цифровым блоком измерения 4 и регистрации (ИР) удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, окружающих обсадную трубу 1.1 скважины, причем блок ДГЗП снабжен электрическими контактами для подключения к токовым жилам геофизического кабеля 5, а блок ИР снабжен последовательным или параллельным выходным портом 4.8, а потенциал одного из измерительных электродов 2.3 измеряют относительно верхней части обсадной трубы 1.1 скважины.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что многоэлектродный зонд 2 ДЗГП выполнен с возможностью снижения токов утечки между токовыми 2.2 и измерительными 2.3 электродами и содержит удлиненный корпус, с верхней и нижней стороны которого установлены токовые 2.2 электроды, между которыми установлена группа измерительных электродов 2.3, электрически изолированная от токовых электродов 2.2 диэлектрическими вставками 2.1, токовые 2.2 и измерительные 2.3 электроды зонда 2 выполнены заостренными 2.3.2, установлены на выдвижных диэлектрических рычагах 2.3.1 и снабжены электрическими клеммами 2.3.6 с гибкими проводниками 2.3.3 для соединения токовых 2.2 и измерительных 2.3 электродов через геофизический кабель 5 с токовым выходом и сигнальным входом блока 3 ПП соответственно.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что блок 3 ПП выполнен с возможностью генерации двуполярных токовых импульсов и содержит последовательно соединенные силовой источник 3.2 электропитания и блок 3.1 формирования двуполярных импульсов (ФДИ), снабженный электрическими контактами, для подключения блока ФДИ к токовым жилам геофизического кабеля 5 и к верхней части обсадной трубы 1.1, а также блок ФДИ содержит последовательно соединенные приемник 3.3 сигналов измерительных электродов 2.3 и модем 3.4, сигнальный выход и управляющий вход которого по данным замера электрических потенциалов и их разностей 3.5 и командам 4.7 управления соединены соответственно с сигнальным входом и первым управляющим выходом цифрового блока 4 ИР.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что цифровой блок 4 ИР выполнен с возможностью расчета УЭС горных пород при коротящем воздействии обсадной трубы 1.1 на процесс измерений УЭС горных пород и содержит последовательно соединенные блок 4.3 приема и накопления данных замера потенциалов и разности электрических потенциалов между измерительными электродами 2.3, блок 4.4 оперативного расчета УЭС с выходным портом 4.8, блок 4.2 анализа качества результатов текущих измерений УЭС и блок 4.1 управления каротажем, снабженный комплексом интерфейсных линий 4.5, 4.6, 4.7, 4.9 связи для передачи команд управления зондированием горных пород и приемом данных измерений потенциалов и их разностей на блок 3 ПП.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что блок 4.4 блока 4 ИР снабжен программой вычисления УЭС горных пород по формуле

где:

K₀(kr₀) - модифицированная функция Бесселя второго рода (функция Макдональда);

r₀ - внешний радиус обсадной трубы;

- погонное сопротивление обсадной трубы;

h - текущая глубина нахождения зонда;

Н - глубина башмака обсадной трубы.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что комплекс интерфейсных линий связи включает линию 4.5 для передачи сигнала «формирование условий замера», линию 4.6 передачи сигнала «завершение замера» на силовой источник 3.2 электропитания, линию 4.9 передачи сигнала управления параметрами двуполярных импульсов на блок 3.1 ФДИ и линию 4.7 передачи команд управления модемом 3.4 блока 3 ПП.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что цифровой блок 4 ИР выполнен модульной конструкции на перепрограммируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или в виде электронной вычислительной машины (ЭВМ), снабженной программой измерения и регистрации УЭС.