Способ и устройство электрического каротажа обсаженной скважины - RU2306582C1

Чертежи

Показать все 21 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважины и может найти применение для определения удельного электрического сопротивления горных пород, окружающих обсаженную металлической колонной скважину.

Известен способ электрического дивергентного каротажа обсаженных скважин [1], включающий измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с колонной однополюсного зонда второй разности, конструктивно выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов и одного расположенного выше на заданном расстоянии от них токового электрода.

Способ позволяет определять отношение электрического сопротивления окружающих скважину горных пород к электрическому сопротивлению колонны через отношение потенциала электрического поля в точке измерения ко второй разности потенциалов в данной точке при возбуждении электрического поля исследуемой среды одним однополюсным источником тока.

Недостатком способа является то, что в измеряемом параметре присутствует электрическое сопротивление колонны, которое может заметно изменяться в связи с непостоянством толщины стенки колонны, отсутствием достаточного электрического контакта в замках и др. Заметное искажение измеренного сопротивления горных пород связано с тем, что зонд питается от одного однополюсного источника тока, основная доля которого в пределах измерительных электродов течет вдоль по колонне и во много раз превышает долю тока, текущего в пласт в пределах тех же измерительных электродов. В результате точность определения электрического сопротивления невелика, а диапазон измерения ограничен.

Известен способ электрического каротажа обсаженных скважин [2], который включает подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи контактирующего с обсадной колонной зонда. Зонд выполнен в виде трех эквидистантных измерительных электродов и трех токовых электродов, два токовых электрода расположены соответственно выше и ниже измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, третий токовый электрод расположен в середине на уровне среднего измерительного электрода и подключен к колонне в точке, не совмещенной с точкой контакта с колонной среднего измерительного электрода. В каждый из трех токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника. При каждой из трех подач тока измеряют потенциал электрического поля среднего измерительного электрода U_n(I_A1, I_A2, I_A3), первую разность потенциалов между двумя крайними измерительными электродами ΔU(I_A1, I_A2, I_A3), вторую разность потенциалов Δ²U(I_A1, I_A2, I_A3) на том же участке колонны. Удельное электрическое сопротивление горных пород определяют по формуле:

где k₁ и k₂ - коэффициенты, вытекающие из системы двух уравнений

для получения которых принимают, что в пределах зоны измерительных электродов зонда независимо от его конструкции результирующий ток вдоль колонны равен нулю, а результирующий радиальный ток в пределах этой зоны имеет заданную величину при любой величине электрической проводимости колонны, и эти коэффициенты для данной конструкции зонда с тремя измерительными электродами равны:

U_N(I_A1), U_N(I_A2) U_N(I_A3) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней центрального измерительного электрода соответственно при подаче токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда; ΔU_M2M1(I_A1), ΔU_M2M1(I_A2), ΔU_M2M1(I_A3) - первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда и ΔU²(I_A1 ), ΔU²(I_A2), ΔU²(I_A3) - вторые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней всех трех измерительных электродов зонда соответственно при подаче поочередно токов в верхний, нижний и средний токовые электроды зонда; I_A1, I_A2, I_A3 - токи, подаваемые к колонне в точке соприкосновения с ней верхнего, нижнего и среднего токовых электродов зонда; k - коэффициент зонда.

К недостаткам способа следует отнести необходимость выполнения измерений при остановке скважинного прибора, слабую помехозащищенность, невысокий динамический диапазон измеряемых параметров и необходимость очень большого времени для работы с поочередным включением трех токов.

Известен зонд CHFR фирмы Шлюмберже для каротажа сопротивлений в обсаженной скважине [3]. Он состоит из электронной секции, питающего токового электрода, одновременно действующего и в качестве центратора, четырех наборов, измеряющих напряжение электродов, и возвратного токового электода, который тоже действуют как центратор. Зонд имеет длину 43 фута (13 м) и диаметр 3 3/8 дюйма (85,7 мм), что позволяет опускать его в насосно-компрессорные трубы и хвостовики размером 4,5 дюйма (114,3 мм).

Зонд может измерять пластовое удельное электрическое сопротивление через одиночную обсадную колонну. Зонд может быть спущен в скважину с искривлением до 70° с использованием дополнительного центрирующего фонаря и даже в горизонтальную скважину, если используются изолирующие центраторы.

Каждый набор электродов (одного уровня) состоит из трех механических рычагов, расположенных через 120° друг от друга, электроды на которых соединенны параллельно. Три контактных электрода в каждом наборе обеспечивают улучшенный контакт с обсадной трубой и избыточные измерения в том случае, если один из контактных электродов имеет плохой контакт или же попал на перфорационное отверстие в обсадной трубе или на переходную муфту.

Измерительные электроды зонда сконструированы таким образом, чтобы продавливать образовавшуюся на обсадной трубе тонкую окисную и коррозионную пленку и создавать с обсадной колонной хороший электрический контакт, что весьма существенно для получения качественных измерений. Зонд перемещается вверх по скважине при выпущенных электродных упорах, чтобы поддерживать наилучший контакт с обсадной колонной. Конструкция, в которой на каждом уровне находится три электрода (три контакта одного и того же электрода), обеспечивает постоянную избыточность измерений, поэтому вероятность потери данных по причине поломки отдельных контактов какого-либо из электродов мала.

Тем не менее проблемы с качеством контактов существуют. Обеспечить требуемое электрическое сопротивление контакта трудно, если скважина пробурена давно и стенка стальной колонны окислилась, корродирована или закоксована окислившимися жидкими углеводородами в смеси с песком, глинистыми или карбонатными частицами горных пород, парафинизирована и т.п.

О качестве контакта можно судить по импедансу питающего токового электрода и по измерениям сопротивления обсадки. Технология CHFR предусматривает в таких скважинах перед опусканием зонда проведение предварительной механической и химической обработки обсадной колонны, чтобы улучшить электрический контакт. Предварительная подготовка может включать в себя проработку скважины долотом с ершом для снятия ржавчины или химическую обработку для удаления окисной пленки. Даже на тех месторождениях, где указанные проблемы не встречаются, рекомендуется извлечь НКТ и подготовить обсадную колонну к проведению каротажа сопротивлений, чтобы уменьшить риск возникновения проблем с созданием хорошего контакта.

Измерение зондом выполняется при неподвижном зонде в связи с тем, что измеряемые величины напряжения очень небольшие, и поэтому технология весьма чувствительна к ошибкам, возникающим при движении электродов по обсадным трубам из-за значительных помех, превосходящих пластовый сигнал более чем в 100 раз (микрофонный эффект).

Описанный аналог обеспечивает только относительное измерение сопротивления пласта в связи с тем, что способ и конструкция его зонда не позволяют провести измерения потенциала электродов зонда, находящихся в скважине, по отношению к удаленному на «бесконечность» электроду [4]. Кривые, получаемые зондом, настраиваются так, чтобы они накладывались на кривую удельного электрического сопротивления, полученную в открытом стволе в непроницаемом пласте, в котором со временем не произошло изменений (например, в глине).

В лучшем случае все это приводит к большим погрешностям при вычислении удельного электрического сопротивления ρ_n горных пород, а в худшем - надежные измерения становятся невозможными.

Время остановки на производство измерений в одной точке варьирует от двух до пяти минут в зависимости от величины оцениваемого ρ_n, требуемой точности и свойств обсадной колонны ρ_n.

Погрешность измерения зондом при благоприятных условиях в диапазоне измерения ρ_п горных пород от 0 до 100 Ом·м составляет более 10%.

К недостаткам зонда следует отнести невозможность обеспечения надежного контакта измерительных электродов со стенкой стальной колонны, большую длину жесткой части прибора (13 м), большой вес, жесткую связь измерительных электродов друг с другом, что обусловливает слабую помехоустойчивость. Все это не позволяет увеличить динамический диапазон и снизить погрешность измерения ρ_n, а предложенная технология предварительной механической или химической обработки обсадной колонны стоит дорого и, как правило, не приводит к положительному результату, особенно в скважинах, пробуренных много лет назад.

Кроме того, способ CHFR предусматривает корректировку ρ_n путем нормализазии (к-фактор) по сопротивлению горных пород в открытом стволе, что также не всегда приводит к положительным результатам. В зависимости от среды, окружающей скважину, бывает невозможно использовать непосредственно ρ_n глин, измеренное в открытом стволе. Например, точность индукционного каротажа в открытом стволе в глине, если скважина бурилась на пресной промывочной жидкости, может быть приемлема, а данные бокового каротажа сомнительны. Влияние скважины на ρ_n глины может составлять до 50% и более. Следовательно, кривые электрического каротажа CHFR могут быть сдвинуты (смещены) как в глине, так и в нефтегазонасыщенном пласте, что может привести к завышенным оценкам коэффициента нефтегазонасыщения.

Нормализация по известному ρ_n осложняется, кроме влияния скважины, еще и влиянием вмещающих пласт горных пород.

На измерение кажущегося сопротивления ρ_к зондом CHFR в обсаженной скважине влияют также и другие факторы, например цемент, локальные неоднородности обсадной колонны (муфты, перфорационные дыры и центраторы).

Обсадная колонна обычно окружена цементным кольцом. Вследствие высокой пористости цемента и равновесного перемещения ионов удельное сопротивление цемента ρ_ц обычно ниже ρ_n пласта, насыщенного высокоминерализованной водой. Поэтому в пластах высокого значения ρ_n влияние цемента мало. Однако, поскольку электрический каротаж CHFR не обладает разной глубинностью (радиусом исследования), и, если влияние цемента не ничтожно, то нельзя отделить долю влияния цемента на ρ_n пласта. Хотя ρ_ц цемента обычно ниже ρ_n песчаного пласта, но ρ_ц может быть выше, чем ρ_nглины, что при нормализации приведет к неточному определению ρ_n песчаного пласта.

Еще большая неопределенность возникает, если нет информации о свойствах цемента, использованного для цементации колонны.

Применение способа ограничено и тем, что сопротивление колонны может значительно изменяться за счет изменения толщины стенки колонны, муфтовых соединений, плохого контакта в замках колонны, центраторов и др. Заметное искажение измеренного ρ_n связано с тем, что зонд CHFR питается от однополюсного источника тока только через один токовый электрод, а не поочередно через несколько токовых электродов (как это, например, у аналога (2)). Основная доля тока в пределах измерительных электродов течет вдоль по колонне и в миллионы раз превышает долю тока, текущего в пласт. В результате точность определения параметров пласта невысока, а диапазон измерения ограничен. Зонд имеет большие размеры (13 м) и вес более 300 кг.

К недостаткам зонда CHFR следует отнести также большой зумпф (мертвую зону), не позволяющий производить исследования прибором в призабойной части, а жесткость конструкции и большие размеры (13 м) обусловливают слабую помехозащищенность зонда.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ электрического каротажа обсаженной скважины (А.С.Кашик и др. Патент RU №2176802) [5], включающий подачу электрического тока, измерение потенциала электрического поля и его второй разности при помощи многоэлектродного зонда второй разности, выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов и двух токовых, верхнего и нижнего, электродов, которые расположены за пределами измерительных электродов, симметрично относительно среднего измерительного электрода, причем в каждый из двух токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника и при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта среднего измерительного электрода с колонной, первую разность потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке колонны, а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин используют удельное электрическое сопротивление окружающих колонну пластов горных пород, которое определяют по формуле:

где k - коэффициент, полученный из уравнения:

k+ΔU_M2M1(I_A2)+ΔU_M2M1(I_A2)=0,

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

U_N(I_A1), U_N(I_A2) - потеницалы электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода соответственно при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

ΔU_M2M1 (I_A1), ΔU_M2M1(I_A2) - первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

Δ²U(I_A1), Δ²U(I_A2) - вторые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней всех трех измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

I_A1, I_A2 - подаваемые к колонне в точках соприкосновения с ней первого и второго токовых электродов зонда.

В способе частично решена задача повышения точности и расширения диапазона измерения удельного электрического сопротивления пластов горных пород, окружающих обсаженную скважину, за счет подавления влияния на результаты измерений неоднородностей обсадной колонны и внешних случайных электрических помех.

Недостатки во многом схожи с теми же, что и перечисленные у аналогов [2] и [3]. Дополнительно можно отметить следующие.

Не используется статистика при точечных измерениях.

Необходимость подачи тока питания к электродам зонда с поверхности большой величины ограничивает использование способа в глубоких скважинах из-за большого сопротивления кабеля и помех, возникающих в связи с переменной индуктивной и емкостной связью между жилами многожильного кабеля. Аддитивная смесь сигнала и шума (например, дробовые и тепловые шумы, возникающие в электрических цепях независимо от действующих в них сигналах), а также паразитные изменения во времени параметров цепей или любых других элементов канала связи, например амплитудная модуляция, т.е. мультипликативная помеха, являются факторами, которые искажают сигнал, но не учитываются. Отсюда слабая помехозащищенность зонда и невысокий динамический диапазон измерения ρ_n.

Большое время измерения параметров U, ΔU, Δ2U, I при подаче тока последовательно в каждый из токовых электродов. Отсутствие контроля прижима измерительных электродов.

Невозможность сравнения на идентичность скважинных приборов. Общим недостатком всех перечисленных аналогов и прототипа является отсутствие способа и реальной модели поверочной установки, с помощью которой можно было бы оценить точность конечного результата вычисления ρ_п по формулам, выведенным на основании теоретических или экспериментальных зависимостей с использованием конечных дифференциальных разностей потенциала электрического поля при точечных измерениях.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании способа и устройства зонда для определения удельного электрического сопротивления ρ_n горных пород в скважинах, обсаженных металлической колонной, обеспечивающих больший динамический диапазон и большую точность измерения ρ_nпри одновременном уменьшении размеров зонда и увеличении скорости измерения.

Технический результат от использования данного изобретения состоит в том, что может быть не только существенно расширена область применения, увеличен диапазон, повышена точность определения параметров пласта и обсадной колонны в условиях многолетней коррозии при одновременном уменьшении габаритов зонда, но и получена дополнительная информация, позволяющая оценивать идентичность каротажных зондов, исключать влияние различного рода неоднородностей колонны, а также в тех случаях, когда нельзя обеспечить корректность измерений потенциала из-за невозможности соблюдения условия отнесения на бесконечность заземления удаленного измерительного электрода зонда или получить точное значение первой и второй разности потенциала из-за плохого контакта измерительных электродов зонда с колонной.

Указанная задача достигается тем, что согласно способу электрического каротажа обсаженной скважины, включающему подачу электрического тока, определение потенциала U электрического поля, его первой и второй разностей при помощи многоэлектродного зонда, выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов, двух прямых токовых электродов A₁ верхнего и А₂ нижнего, расположенных за пределами эквидистантных измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, заземление обратного токового электрода «В» производят за металлическую колонну соседней скважины, за металлическую обсадку шурфа для турбобура или за металлическую рубашку (кольцо) защиты устья металлической колонны. Удаленный электрод N_∞ заземляют вдали от обратного токового электрода «В» при помощи металлического штыря или за устье металлической колонны исследуемой скважины. В каждый из прямых токовых электродов поочередно подают электрический ток от одного и того же полюса источника I_A1, I_A2 и при каждой из подач тока измеряют потенциал U(I_A1, I_A2) электрического поля в точке контакта любого из измерительных электродов с колонной. При измерении потенциала U выполняется цифровая фильтрация сигнала от помех, возникающих в линиях связи (многожильном каротажном кабеле) между линиями подачи тока к токовым электродам и линией измерения потенциала U. Измерение первых разностей потенциала ΔU1(I_A1, I_A2) и ΔU2(I_A1, I_A2) между соседними измерительными электродами эквидистантной тройки производят идентичными измерителями. Вычисляют первую разность ΔU(I_A1, I_A2) между крайними измерительными электродами эквидистантной тройки по формуле:

вычисляют вторую разность потенциалов по формуле:

В качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин вычисляют удельное электрическое сопротивление окружающего колонну пласта горных пород по формуле:

где R_ис=f(I, U, ΔU, Δ2U) - функция с зависимыми переменными I, U, ΔU, Δ2U параметрами зонда, измеренными или вычисленными по результатам измерения в скважине, известная по установленным зависимостям экспериментальным R_ис=f(I, U, ΔU, Δ2U) или теоретическим, например при коэффициенте зонда, принятом равным 1, по формуле прототипа:

где k - коэффициент, полученный из уравнения:

k·ΔU(I_A2)+ΔU(I_A1)=0,

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

U_N(I_A1), U_N(I_A2) - потенциалы электрического поля колонны в точке контакта с ней среднего измерительного электрода соответственно при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

ΔU(I_A1), ΔU(I_A2) - вычисленные по формуле (3) первые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней двух крайних измерительных электродов зонда соответственно при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

Δ2U(I_A1), Δ2U(I_A2) - вычисленные по формуле (4) вторые разности потенциалов электрического поля на участке колонны между контактами с ней всех трех измерительных электродов зонда, соответственно, при подаче токов в первый и второй токовые электроды зонда;

I_A1, I_A2 - токи, подаваемые к колонне в точках соприкосновения с ней первого и второго токовых электродов зонда;

С и b - константы, полученные при поверке аппаратуры многоэлектродного гибкого зонда при помощи поверочной установки, состоящей из части свечи обсадной металлической колонны, имеющей сечение (наружный диаметр, толщина стенки), равное или большее, чем у находящейся в исследуемой скважине, а длину - равную (или большую) расстоянию между крайними токовыми электродами зонда, и аттестованной линейки дискретных значений резисторов R_л, имитирующих удельное электрическое сопротивление ρ_n(т.е. ρ_n в Ом·м и R_л в Ом равны по величине), расположение пласта и вмещающих горных пород за стенкой колонны, включенных соответственно с ее внешней стороны в точках напротив контактов измерительных и токовых электродов зонда. При поверке производят многократные статистические измерения и вычисление параметров U(I_A1, I_A2), Δ U1(I_A1, I_A2), ΔU2(I_A1, I_A2), ΔU(I_A1, I_A2), Δ2U(I_A1, I_A2 ), I_A1, I_A2 .

Значение величин С и b получают из эмпирической зависимости для искомой линейной функции R_л от аргумента R_ил на некотором участке ΔR_л, заданном в табличном виде, с использованием кусочно-линейной апроксимации из формулы, аналогичной (5):

R_л=CR_ил+b,

где R_ил=f(I_л, U_л, ΔU_л, Δ2U_л) - функция с зависимыми переменными I_л, U_л, ΔU_л, Δ 2U_л параметрами многоэлектродного гибкого зонда, измеренными или вычисленными по результатам измерения в поверочной установке.

Величины С и b подбираются так, чтобы сумма квадратов невязок значений R_ил с линейкой резисторов R_л, т.е.

и

где R_л, R_ил, и число измерений N - известные величины, по формулам:

Вычисляют среднее значение:

и среднеквадратическую ошибку измерений σ_л при поверке, которыми пользуются для оценки точности определений ρ_п горных пород в скважине. Измерение на каждой точке глубины с заданным шагом дискретности и вычисление результата определения ρ_п в скважине выполняют с учетом поправочных коэффициентов С и b, производя многократный прижим измерительных электродов многоэлектродного гибкого зонда и пробивание ржавчины, окисного или закоксованного слоя стальной колонны до получения под воздействием импульсно наращиваемого гидравлического давления необходимого стабильного контакта каждого измерительного электрода с колонной, оцениваемого по амплитуде и форме сигналов параметров I, U, ΔU1, ΔU2 и/или совпадающих двух значений ρ_п при статистических измерениях на одной и той же точке глубины скважины с точностью ±jσ_л, a j выбирают из ряда целых чисел 1,2, ...,m с учетом доверительной вероятности к точности статистических измерений, или отличающихся значений ρ_п друг от друга при переходе от одной точки глубины к другой на величину ±jσ_л.

Указанная задача достигается также устройством для каротажа обсаженной скважины. Устройство для каротажа содержит наземную и скважинную части многоэлектродного зонда. Скважинная часть многоэлектродного зонда состоит из электронных блоков и электродов, три из которых - эквидистантные измерительные электроды N, M₁, M₂ и два - верхний и нижний прямые токовые электроды A₁ и А₂питания зонда. Измерительные электроды M₁ и М₂ и токовые электроды A₁ и А₂ симметрично расположены относительно измерительного электрода N. Все электроды скважинной части многоэлектродного зонда имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны скважины, создавая с ней электрический контакт. Электронные блоки скважинной части многоэлектродного зонда имеют коммутатор токов питания, измеритель тока питания, измерители потенциала, его первой разности, передающий полукомплект телеизмерительной системы (ТИС). Наземная часть устройства включает в себя генератор тока питания токовых электродов многоэлектродного зонда, приемный полукомплект ТИС, персональный компьютер, обратный токовый электрод (В) и удаленный измерительный электрод N_∞, соединенные между собой линиями связи. Скважинная часть многоэлектродного зонда выполнена гибкой, содержит управляемый импульсным напряжением электрогидропривод. Электрогидропривод состоит из блока насоса с линейным электродвигателем и поршнем; блока кулисного механизма с золотником и кулисами в виде рычагов и пружин, расположенных под равными углами друг к другу; муфты, микропереключателя положения кулис; датчика давления; дросселя; поршневого гидропереключателя с двумя полостями; линии забора и подачи рабочей жидкости с запорными клапанами; блока клапанов; линии накачки и линии сброса давления с двумя запорными клапанами; блока предохранительного устройства, имеющего металлические калиброванные штифты, срезаемые под воздействием натяжения; блоков исполнительного устройства прижима измерительного электрода многоэлектродного гибкого зонда к стенке скважины, которые содержат измерительные электроды, армированные твердосплавной вставкой, фонари, траверсы, подвижные обоймы, блоки телескопических стаканов, резиновые сильфоны, основания сильфонов, приемные и проходные штуцеры гидроканала, силовые пружины, центрирующие рычаги; линии слива рабочей жидкости из блоков в барокомпенсатор. Линейный электродвигатель соединен подвижным штоком с поршнем блока насоса. Блок насоса соединен с линиями забора и подачи рабочей жидкости через запорные обратные клапаны. Линия подачи рабочей жидкости соединена с блоком кулисного механизма через золотник. Золотник соединен при помощи подвижного штока с кулисами. Кулисы соединены шарнирно с муфтой при помощи рычагов и имеют возможность совершать вращательно-поступательное движение и под воздействием пружин перемещать релаксационно золотник в одно из крайних положений. С рычагами кулис соединен микропереключатель положения золотника. Муфта соединена жестко с поршнем гидропереключателя, одна полость которого соединена через дроссель с линией накачки избыточного давления, контролируемого датчиком давления. Вторая полость гидропереключателя, с другой стороны поршня, соединена с линией сброса давления, в которую включены параллельно-встречно два запорных клапана. Линия сброса давления соединена со вторым выходом золотника. Линия накачки давления соединена также через предохранительное устройство с блоком исполнительного устройства прижима измерительных электродов многоэлектронного гибкого зонда к колонне. Блок предохранительного устройства с одной стороны жестко соединен с металлическим кожухом электрогидропривода, а с другой - соединен через металлические калиброванные штифты с гибкой частью косы многоэлектродного гибкого зонда. При срезании металлических штифтов избыточное давление имеет возможность разгрузится через линию слива предохранительного устройства в барокомпенсатор, а измерительные электроды складываются. В следствие этого многоэлектродный гибкий зонд освобождается от жесткой связи с колонной и может быть извлечен из скважины. Блоки исполнительного устройства прижима измерительного электрода к стенке скважины подключены к линии гидроканала последовательно при помощи гибкого шланга и подвешиваются на не проводящем электрический ток гибком тросе. Гибкий шланг от блока охранного устройства подключается к приемному, а выходной - к проходному штуцеру гидроканала основания сильфонов, установленному жестко на фонаре. К фонарю, поверх него подвижно с одной стороны при помощи силовых пружин присоединены подвижные обоймы, к которым подвижно присоединены центрирующие рычаги и траверсы. С другой стороны к фонарю присоединено жестко основание резиновых сильфонов, связанное через блок телескопических стаканов с траверсами, а через резиновые сильфоны - с твердосплавными вставками измерительного электрода. Силовые пружины производят силовое замыкание фонаря и подвижных обойм в исходном закрытом положении, при этом твердосплавные вставки втягиваются в отверстие траверс. Пассивные рычаги расположены в перпендикулярной плоскости по отношению к твердосплавным вставкам измерительного электрода. Они соединены одноименными концами между собой попарно, другими концами - с подвижными обоймами с возможностью вращения в местах соединения. Служат они так же, как и рычаги с траверсами, для центровки твердосплавных вставок измерительного электрода при их прижиме к стенке скважины.

Таким образом, отличие способа и устройства от известных аналогов и прототипа заключается в следующем:

а) Способа. Используется многоэлектродный гибкий зонд, обладающий лучшим соотношением сигнал-шум; цифровая фильтрация сигнала от помех; первая разность потенциалов измеряется на полубазах M₁N и M₂N между соседними электродами эквидистантной измерительной тройки электродов, а первая и вторая разность потенциалов на полной базе M₁M₂ эквидистантной измерительной тройки электродов рассчитывается как сумма и разность измеренных значений первой разности потенциалов на полубазах; удельное электрическое сопротивление горных пород вычисляется по формуле для кусочно-линейной аппроксимации ρ_n=CR_ис+b, где R_ис=f(I, U, ΔU, Δ2U), с использованием результатов поверки зонда в поверочной установке, состоящей из части обсадной металлической колонны и линейки аттестованных резисторов. При поверке и измерениях в скважине производятся многократные статистические измерения параметров, используя многократный прижим измерительных электродов в месте контакта с обсадной металлической колонной, оценивается среднеквадратическая ошибка измерений и доверительная вероятность к точности статистических измерений, которыми пользуются для оценки и повышения точности определения ρ_n горных пород. В результате зонд обладает большим динамическим диапазоном и точностью определения ρ_n горных пород, чем известные аналоги и прототип.

б) Устройства. Скважинная часть многоэлектродного зонда выполнена гибкой за счет комбинации жестких и гибких частей конструкции электропривода и косы с изолированными управляемыми измерительными электродами, обеспечивающими надежный контакт их с обсадной колонной за счет пробивания окисного или закоксованного слоя колонны твердосплавной вставкой измерительного электрода под воздействием импульсно наращиваемого гидравлического давления и контролем качества контакта, а так же использованием известных и неизвестных конструкций элементов, их соединений и электрических включений для решения поставленной задачи.

На фиг.1 дана блок-схема многоэлектродного гибкого зонда устройства электрического каротажа обсаженной скважины, реализованная по предлагаемому способу, где: 1 - исследуемая скважина, 2 - обсадная металлическая колонна, 3 - окружающие скважину горные породы, 4 - скважинный прибор многоэлектродного гибкого зонда, 5 - измерительный электрод N, 6 и 7 - измерительные электроды (M₁) и (М₂), 8 и 9 - верхний и нижний прямые токовые электроды (A₁) и (А₂), 10 - гидроэлектропривод (ГП), 11 - наземный измерительный блок (НБ), 12 - линия связи гидроэлектропривода ГП с наземным блоком НБ, 13 - измеритель тока I, 14 - коммутатор (К) токов питания I (I₁ и I₂), 15 - генератор (Г) тока питания I, 16 - линия связи первого полюса генератора с коммутатором тока К, 17 - обратный токовый электрод (В), 18 - устье металлической колонны соседней скважины, 19 и 20 - измерители напряжения ΔU1 и ΔU2 между электродами NM₁ и NM₂, 21 - передающий полукомплект (ЭБ) телеизмерительной системы (ТИС) скважинного прибора, 22 - линия связи ТИС, 23 - измеритель потенциала U, 24 - линия связи между измерителем потенциала U и удаленным электродом N_∞ 25, 26 - персональный компьютер (ПК).

На блок-схеме показана исследуемая скважина 1 в поперечном разрезе с обсадной металлической колонной 2, которую окружают пласты горных пород 3. Скважинная часть гибкого зонда находится в скважине напротив исследуемого пласта 3, удельное сопротивление которого измеряют через стальную колонну 2.

Скважинная часть многоэлектродного гибкого зонда состоит из скважинного прибора 4 и электродов 5-9, три из которых 5-7 - эквидистантные измерительные электроды N, M₁, М₂ и U* (* Пунктиром на фиг.1 обозначен измерительный электрод U потенциала для модифицированного шестиэлектродного варианта исполнения зонда. Электрод U используется вместо электрода N только при измерении потенциала U (поэтому на схеме цифрой не обозначен)) электрод для измерения потенциала, 8 и 9 - прямые верхний и нижний токовые электроды А₁ и А₂ питания многоэлектродного гибкого зонда.

Измерительные электроды M₁ и М₂ и токовые электроды A₁ и А₂ симметрично расположены относительно измерительного электрода N. Все электроды скважинной части многоэлектродного гибкого зонда являются подвижными и имеют возможность прижиматься к стенке металлической колонны 2, создавая с ней электрический контакт, при этом эквидистантные измерительные электроды N, M₁, M₂ и измерительный электрод U прижимаются к колонне с помощью электрогидропривода 10, имеющего гибкий гидравлический канал давления, а электроды А₁ и А₂ прижимаются к стенке колонны неуправляемыми упругими рессорами. Гибкий гидравлический канал давления описан ниже. Он обеспечивает необходимое минимальное электрическое сопротивление и неизменность контакта каждого измерительного электрода с колонной 2 во время измерения геофизических параметров в заданной точке глубины скважины.

Электрогидропривод 10 (ГП) питается импульсным током от источника, находящегося в наземном блоке 11 (НБ), через линию связи 12.

В скважинном приборе находятся измеритель токов I₁ и I₂ 13 и коммутатор 14. Токовые электроды А₁ и А₂ через коммутатор 14 (ключ К) измерителя тока 13 соединяются поочередно с первым полюсом находящегося на дневной поверхности генератора 15 (Г) переменного тока инфранизкой частоты через линию связи 16. Второй полюс генератора 15 заземлен на дневной поверхности через обратный токовый электрод 17 (В) за устье металлической колонны соседней скважины.

В скважинном приборе 4 находятся также измерители напряжений ΔU1 19 между электродами M₁N и ΔU2 20 между электродами M₂N, передающий полукомплект ТИС 21 (ЭБ), соединенный входами с измерителями токов I₁, I₂ и напряжений ΔU1 и ΔU2 (на схеме линии соединения не показаны), а выходом - с приемным полукомплектом ТИС наземного блока 11 через линию связи 22. Измеритель потенциала U 23 может находиться в скважинном приборе или на поверхности. Потенциал U_N центрального измерительного электрода 5 измеряется через линию связи 24 относительно удаленного электрода N_∞ 25, который может располагаться как на дневной поверхности и заземляться за устье металлической колонны, так и в скважине на достаточно большом удалении от скважинного прибора. Компьютер ПК 26 обрабатывает и регистрирует сигналы U, ΔU1, ΔU2, I₁, I₂, производя вычисления параметров Δ U, Δ2U на участке колонны между электродами M₁ и М₂ и электрического сопротивления колонны R_к.

На фиг.2 показан общий вид скважинной части многоэлектродного гибкого зонда (номера и обозначения те же, что и на фиг.1) в двух модификациях: первая (2а) - с тремя эквидистантными измерительными электродами, электроды N и U совмещены в одной точке глубины, но разнесены на 90° по окружности; вторая (2б) - электрод для измерения потенциала U находится за пределами эквидистантной тройки измерительных электродов и является четвертым измерительным электродом. Кроме того, на фиг.2 показаны гибкий подвес со шлангами гидроканала 27, твердосплавные наконечники измерительных электродов 28, упругая рессора 29 фонаря токового электрода, груз (ГР) 30 на шарнирном подвесе.

Многоэлектродный гибкий зонд опускается на каротажном кабеле и распрямляется по гибким изолированным подвесам 27 под действием груза 30.

На фиг.3 показана блок-схема электрогидропривода гибкого многоэлектродного зонда.

Блок-схема электрогидропривода 10 (см. фиг.1) включает в себя (см. фиг.3) блок насоса 31 с линейным электродвигателем 32, поршнем 33, линиями забора 34 и подачи 35 рабочей жидкости с запорными клапанами; блок кулисного механизма 36 с золотником 37, тремя кулисами 38, муфтой 39, микропереключателем 40 положения кулис, датчиком давления 41, дросселем 42, поршнем 43 гидропереключателя, блоком клапанов 44, линиями накачки 45 и сброса давления 46; блок предохранительного устройства 47; исполнительное устройство 48 прижима измерительного электрода к стенке скважины, твердосплавные вставки 28 измерительных электродов; линии 49 и 50 слива рабочей жидкости из блоков 36 и 47 в барокомпенсатор (барокомпенсатор на схеме не показан). Блоки 31 и 36 электрогидропривода находятся в металлическом кожухе (на схеме не показан). Металлический кожух имеет канал для прохода рабочей жидкости в барокомпенсатор. Линейный электродвигатель 32 соединен подвижным штоком с поршнем 33 блока насоса, имеющим всасывающую 34 и подачи (выходную высокого давления) 35 линии с запорными обратными клапанами. Выходная линия 35 соединена с блоком кулисного механизма 36 через золотник 37. Золотник 37 соединен при помощи подвижного штока шарнирно в точке «О» с тремя кулисами 38, каждая из которых расположена под равными углами к двум другим. Кулисы 38 соединены шарнирно с муфтой 39, поэтому рычаги кулис имеют возможность совершать поступательное и вращательное движение. На рычагах кулис установлены пружины, которые служат для релаксационного переброса золотника 37 поочередно в одно из двух крайних положений. С одной из кулис 38 соединен микропереключатель 40 положения золотника 37. Муфта 39 соединена жестко с поршнем 43 гидропереключателя, имеющего две полости, одна из которых соединена через дроссель 42 с линией накачки 45 избыточного давления, контролируемого датчиком давления 41. Вторая полость гидропереключателя, с другой стороны поршня 43, через линию 46 сброса давления с параллельно-встречно включенными двумя запорными клапанами 44 соединена со вторым выходом золотника 37. Линия накачки давления 45 соединена также через предохранительное устройство 47 с исполнительным устройством прижима 48 измерительных электродов зонда к колонне. Твердосплавные вставки 28 изготовлены из твердого проводящего электрический ток металлического сплава (победита).

Блок предохранительного устройства 47 представляет собой механическое устройство подвеса косы зонда к металлическому кожуху блоков 31 и 36. Он имеет металлические калиброванные штифты, срезаемые под воздействием натяжения косы зонда, превышающем допустимое для ее целостности при аварийной обстановке, связанной, например, с отказом электрогидропривода с прижатыми к колонне измерительными электродами зонда. При срезании металлических штифтов избыточное давление в исполнительных силовых мышцах разгружается через линию слива 50 предохранительного устройства 47 в барокомпенсатор, при этом измерительные электроды складываются, зонд освобождается от жесткой связи с колонной и может быть извлечен из скважины.

На фиг.4 показано исполнительное устройство прижима измерительного электрода многоэлектродного гибкого зонда к внутренней стенке металлической колонны. Оно состоит из твердосплавной вставки 28 измерительного электрода, фонаря 51, траверсы 52, подвижной обоймы 53, блока телескопических стаканов 54, резиновых сильфонов 55, основания сильфонов 56, приемного 57 и проходного 58 штуцеров гидроканала, силовых пружин 59, электрических проводов 60, центрирующих рычагов 61 и 62. Исполнительные устройства измерительных электродов подключены к линии 45 гидроканала последовательно при помощи гибкого шланга.

Исходное закрытое положение исполнительного устройства со втянутой (спрятанной) твердосплавной вставкой измерительного электрода показано в нижней части фиг.4а. Основанием силовой части устройства является фонарь 51, который подвешивается на непроводящем электрический ток гибком кевларовом тросе 27 (см. фиг.2) с большим разрывным натяжением. Траверса 52 (см. фиг.4), с одной стороны, соединена центрирующими рычагами 61 с подвижными обоймами 53, которые расположены на фонаре и связаны с ним подвижно при помощи силовых пружин 59, а с другой - через блок телескопических стаканов 54 с основанием 56 резиновых сильфонов 55. Основание сильфонов 56 жестко связано с фонарем 51. Пружины 59 производят силовое замыкание устройства в исходном закрытом положении (см. части фиг.4а и 46 ниже горизонтальной осевой линии). Пассивные рычаги 62 расположены в перпендикулярной плоскости по отношению к твердосплавным вставкам 28 и служат, так же как и рычаги 61, для центрации вставок 28 при их прижиме к стенке скважины.

Работа электрогидропривода осуществляется по замкнутому циклу от импульсного генератора наземного блока 11 (НБ) (см. фиг.1) током с частотой 10-15 Гц. В положении «накачки» (см. фиг.3а) давление от насоса подается импульсно с той же частотой 10-15 Гц к силовым исполнительным мышцам, датчику давления и в левую полость переключателя через дроссель 42, представляющий собой калиброванное отверстие, снижающее скорость потока рабочей жидкости к левой полости переключателя. При достижении давления (контролируется датчиком давления 41) в силовых исполнительных мышцах 48 на 70-80 кПа выше скважинного открывается клапан «Переключение», и жидкость перемещает поршень механизма переключателя вправо по схеме (см. фиг.3б) до упора в положение «сброса» давления, при этом связанные с поршнем подпружиненные кулисы 38 отклоняются при переходе через «мертвую точку» резко влево и перемещают золотник коммутатора 37 в левое крайнее положение. Жидкость из правой полости механизма переключателя поршнем во время его движения выталкивается через клапан и золотник коммутатора в полость слива. По окончании описанного цикла гидропривод будет находиться в положении «сброс». Время накачки составляет 20-30 с. Время отпускания (складывания) системы при сбросе давления составляет 1-5 с. Пружины 59 при сбросе давления возвращают систему в исходное положение, жидкость при этом поступает в компенсатор. Переключение гидропривода с конца цикла (положение «сброс») в начало цикла (положение «накачки») происходит при подаче давления к клапану «Реверс», настроенному на давление 80-90 кПа, по описанному выше алгоритму. Для переключения системы требуется подать на электромагнит 5-10 импульсов, при этом давление в системе повышается до 75-8 кПа.

Оптимизация прижима измерительных электродов осуществляется при помощи гибкого их соединения, позволяющего твердосплавным вставкам 28 (см. фиг.1) измерительных электродов независимо друг от друга произвольно перемещаться вдоль и вокруг оси скважины, в том числе под некоторым углом к стенке колонны 2, при протыкании коррелированного или закоксованного слоя внутри колонны путем последовательной многократной подачи и сброса увеличивающегося импульсного давления с частотой 10-15 Гц на заточенное острие твердосплавной вставки. При этом контроль достаточности сопротивления контакта в динамике производится по текущим значениям измеряемых параметров U, ΔU1, ΔU2, I при отсутствии тока питания на неуправляемых токовых электродах зонда (нули сигналов) и (или) при последовательной подаче тока питания к ним.

Сброс и восстановление давления на острие твердосплавной вставки происходит в течение от долей до нескольких секунд в автоматическом или ручном режимах, что позволяет проткнуть непроводящий корродированный слой (аналогия - отбойный молоток), а последовательное плавное уменьшение значений (обычно на несколько порядков) измеряемых параметров U, ΔU1, ΔU2 до постоянного значения (нули сигналов) при общем повышении величины избыточного давления в исполнительной мышце (давления прижима) свидетельствует о достаточности контактов всех измерительных электродов зонда с колонной скважины. Дополнительным контролем достаточности прижима измерительных электродов является стабильность показаний измерительных каналов при включении тока питания на токовые электроды, а также форма кривых U, ΔU1, ΔU2, I.

На фиг.5а-г показаны осциллограммы (форма сигналов) U, ΔU1, ΔU2, I при подаче тока через один и тот же токовый электрод многоэлектродного гибкого зонда.

Контакт электрода M₁ недостаточен, если форма кривой ΔU1 не прямоугольная (фиг.5а). Контакт электрода М₂ изменяется со временем (фиг.5б), если амплитуда параметра ΔU2 изменяется по величине. Контакт электрода N (или всех эквидистантных измерительных электродов) изменяется со временем (фиг.5в), если параметры ΔU1, ΔU2 «плывут», или наблюдается повышенный уровень шума. На фиг.5г форма U, ΔU1, ΔU2, I прямоугольная, и амплитуда каждого параметра не меняется во времени, что свидетельствует о достаточности и стабильности контактов с колонной всех измерительных электродов гибкого зонда.

Все это позволяет сократить время прижима до 30 сек, а общее время на измерение в одной точке глубины до 2,5, минут, и не применять дорогостоящие скребковые технологии, аналогичные CHFR.

Предложенный способ реализуется также с помощью поверочной установки (фиг.6), состоящей из куска трубы обсадной колонны 2 скважины (в дальнейшем - труба) длиной не менее 5 м и сечением, аналогичным сечению обсадной колонны (или больше), в которой будет производиться измерение, и аттестованной линейки 64 резисторов R_л и 63 R_вм в Ом, имитирующих сопротивление пласта ρ_п и вмещающих горных пород ρ_вм в Ом·м.

Крепление внешних электрических цепей к трубе производится при помощи механических или паяных контактов.

Линейка резисторов R_л собирается из резисторов номиналами от 1 до 200 Ом (например, 1, 3, 6, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 70, 100, 200 Ом), сопротивление резисторов проверяется образцовым омметром.

Точки контакта трубы с токовыми электродами А1 и А2 и точки установки резисторов R_вм должны быть разнесены по диаметру трубы не менее чем на 35°;

Резисторы R_вм выполняются из медных проводов большого (3-5 мм²) сечения, подбираются по величине в пределах 20 - 40 мОм и припаиваются к контакту. Подбор резисторов R_вм осуществляется на трубе с учетом сопротивлений механических или паяных контактов (не более 0,01 Ом) таким образом, чтобы при подаче на трубу тока величиной 8 А потенциал трубы не превышал 200 мВ. Балансировка резисторов эквивалентных рвм осуществляется при помощи прямых измерений их величин, разница значений которых не должна превышать 15%.

Скважинный прибор многоэлектродного гибкого зонда помещается в трубу таким образом, чтобы центральный эквидистантный измерительный электрод N находился в одной поперечной плоскости с точкой контакта трубы и резистора R_л. Коса гибкого зонда должна быть выпрямлена.

Обратный токовый электрод В и удаленный электрод потенциала N_∞ подключаются к точке общего заземления 65 через сопротивления, эквивалентные сопротивлению линии связи (жилы каротажного кабеля). Токовые электроды А1 и А2 подключаются к трубе внутри нее с помощью неуправляемых упругих рессор 29 фонаря (см. фиг.2), имеющих так же, как и измерительные электроды зонда, заточенные твердосплавные вставки. Переходное электрическое сопротивление контакта токовых электродов с трубой не должно превышать 10 Ом. Подача тока на трубу и измерение потенциала электрода N осуществляются относительно точки общего заземления.

Данные поверки используются для получения коэффициента К_{Δ U} коррекции идентичности измерителей ΔU1 и ΔU2 гибкого зонда:

где

Измерения с линейкой резисторов производятся последовательно для каждого номинала резистора R_л без повторного прижатия измерительных электродов зонда при сопротивлении контактов измерительных электродов менее 0,1 Ом для определения коэффициента зонда и оценки погрешности телеметрии, а также с повторным многократным прижатием измерительных электродов до 15 измерений на одном номинале резистора R_л для статистической оценки погрешности измерений в целом, т.е. с учетом качества прижатия измерительных электродов зонда.

В таблице 1 приведены данные поверки многоэлектродного гибкого зонда с определением коэффициента С и b без повторного прижатия, а в таблице 2 - с повторным многократным прижатием измерительных электродов. В левой графе таблиц приведены данные о номинале резистора R_л линейки резисторов, в графе R_пил(R_ил) - значение результата расчетов: R_ил - по формуле (6) при С=1, b=0, а R_пил - пересчитанные по формуле (5), т.е. с учетом коэффициентов С и b. Значение единиц параметра R_пил, как и ρ_n,здесь в Ом·м.

Графики зависимости R_пил(R_ил) от R_л многоэлектродного гибкого зонда по данным таблицы 1 приведены на фиг.7, а таблицы 2 - на фиг 8.

В таблице 3 приведены данные поверки многоэлектродного гибкого зонда с использованием кусочно-линейной апроксимации при нелинейной (фиг.9а) фактической зависимости параметров R_пил и R_л. Поверка с использованием кусочно-линейной апроксимации заключается в следующем.

Многократные измерения параметров U, ΔU1, ΔU2, I₁, I₂ выполняются при заданном наборе значений R_л {y_i} i=0...N-1, где N - общее количество резисторов в линейке.

Общее количество точек

{n_i} - количество измерений при каждом значении {y_{i, j}}, i=0...T-1.

Исходные массивы данных {x_i,j} (R_ил) и {у_i} (R_л).

Определяются интервалы изменения Δх[x_{гр.лев.k}, x_{гр.прав.k}] с параметрами {C_k} и {b_k} отрезка прямой y=C_k·x+b_k. В области каждого интервала Δх соблюдается равенство x_{гр.лев.k}=x_{гр.прав.k}. Значения у прямой в граничных точках интервалов заданы значениями y_i,j.

Исходный набор данных разбивается на упорядоченные по возрастанию координаты х интервалы-множества М_kтаким образом, чтобы при последовательном изменении индекса i от 0 до N-1 в множество входили только точки, удовлетворяющие условию

Для каждого полученного множества точек М_k последовательно выполняется процедура аппроксимации с критерием метода наименьших квадратов относительно отклонений по оси х линейной функцией вида C_kx+b_k, проходящей через правую граничную точку x_{гр.прав.} ,_k-1, y_{гр.прав.},_k-1интервала М_k-1, с помощью задания которой обеспечивается непрерывность полученной ломаной линии.

На фиг.9б приведен график пересчитанных значений R_пил с учетом выполненной кусочно-линейной апроксимации R_ил и R_л. Эта данные используются для определения ρ_nв скважине.

В 2004-2005 г.г. были проведены испытания способа и устройства, реализованных в аппаратуре и технологии электрического каротажа обсаженных скважин (ЭКОС). Диаметр многоэлектродного гибкого зонда ЭКОС в закрытом состоянии, не более 95 мм, в открытом состоянии максимальный диаметр - 280 мм. Длина многоэлектродного гибкого зонда с грузом в модификации, изображенной на фиг.2а, 7.2 м, а в модификации, изображенной на фиг.2б, - 7.8 м. Вес с грузом не более 95 кг.

1. В июне 2005 г измерения по технологии ЭКОС (Фиг.10) были выполнены в уникальной скважине 173 Ледюк (Канада), пробуренной в 1949 г. К особенностям скважины следует отнести очень сильную коррозию стенки колонны, которая произошла в результате длительного (56 лет) естественного окисления металла. Образовавшийся непроводящий слой ржавчины и твердого окислившегося битума представляли серьезное препятствие в обеспечении необходимого надежного электрического контакта измерительных электродов многоэлектродного гибкого зонда со стенкой стальной колонны.

Максимальный угол искривления скважины 20°, обсажена она стальной колонной с наружным диаметром 139,7 мм, толщиной стенки от 6,99 до 7,72 мм. Скважина заполнена технической водой, удельное электрическое сопротивление которой при 18°С составляло величину ρ_с=0.8 Ом·м, температура промывочной жидкости 68°С. Горные породы, вскрытые скважиной - песчаники и глины. Песчаники являются нефтенасыщенными при удельном электрическом сопротивлении ρ_п более 2-4 Ом·м. Удельное электрическое сопротивление горных пород изменяется от 1 до 130 Ом·м.

Целью исследования являлось определение ρ_п горных пород за стенкой стальной колонны, оценка области и условий применения способа и аппаратуры и повторяемости результатов измерения.

Исследования выполнялись с многократным статистическим повторением двумя многоэлектродными гибкими зондами ЭКОС: №3 в комбинации модулей электронный блок - электрогидропривод Е3Р3 и №4 в комбинации модулей Е4Р4 (см. фиг.2б). Многоэлектродные гибкие зонды были поверены 07.06.05г. в поверочной установке ПУ ЭКОС. Использовалась каротажная станция с семижильным бронированным кабелем длиной 3800 м с электрическим сопротивлением жил 30 Ом на 1000 м длины кабеля. Привязка данных многоэлектродного гибкого зонда ЭКОС по глубине скважины была осуществлена по гамма-каротажу ГК(GR) и контрольным меткам, установленным в начале и конце интервала записи. Интервал глубин измерения 1245-1141 м. Шаг измерения - 1,0 м.

Заземление удаленного электрода N_∞ потенциала многоэлектродного гибкого зонда произведено за устье металлической колонны исследуемой скважины, а обратного токового электрода «В» - за устье соседней скважины (на удалении 70 м).

Измерения прибором №3 выполнены 22.06.05г. в интервалах глубин 1245-1185 м и 1143-1141 м с шагом 1,0 м (63 точки каротажа), а со статистическим повторением (в зависимости от величины полученного ρ_п) согласно описанного и реализованного способа в технологии ЭКОС, всего 105 точек измерения.

Дальнейшие работы производились спустя сутки вторым многоэлектродным гибким зондом ЭКОС №4 в трех интервалах глубин: 1245-1229 м - 16 точек каротажа (всего 30 точек измерения); 1143-1141 м - 3 точки каротажа (всего 6 точек измерения) с двукратным повторением: многоэлектродный гибкий зонд был поднят на 100 м в верхний интервал и выполнено измерение ρ_п в глинах, затем был вновь опущен на глубину контрольной метки 1245 м и после измерения в интервале глубин 1245-1229 м - 16 точек каротажа (всего 28 точек измерения) измерение в верхнем интервале глубин 1143-1141 м были повторены. Общее количество измерений многоэлектродным гибким зондом №4 со статистическим повторением составило всего 62 точки измерения.

Время работы двумя приборами многоэлектродного гибкого зонда составило 14 ч (вместе со спускоподъемами), при этом исследовано 98 метров (точек) каротажа скважины, а вместе с повторными статистическими наблюдениями - 167 точек измерения (или 5 мин на одну точку).

Информация об удельном электрическом сопротивлении горных пород ρ_п и электрическом сопротивлении стальной колонны R_k получена в виде таблиц каротажа ЭКОС, электронной копии LAS- файлов, включая ГК, и твердой копии диаграммы (см. фиг.10). Для обеспечения возможности сопоставления данных ЭКОС и данных электрического каротажа 1949 г были получены факсимильные копии фотопленок электрического каротажа зондами Lateral - подошвенный градиент-зонд и Normal - потенциал-зонд этой скважины из геологических фондов г.Калгари. Указанные зонды имеют размеры соответственно АО=5,59 м и АМ=1,6 м. Кривые зондов Lateral, Normal и ПС (SP) были оцифрованы вручную с шагом по глубине 1,3 и 0,65 м и оформлены в виде LAS-файлов и представлены также на твердой копии диаграммы (см. правую часть фиг.10). Масштаб глубин здесь указан в метрах, а геофизических параметров - в линейном и логарифмическом масштабах. Кривая R_all ЭКОС (черного цвета) построена по суммарным данным всех трех разновременных измерений двумя скважинными приборами (основного и двух контрольных).

Кривые ρ_п ЭКОС основного и повторного измерений одним и тем же прибором №4 (кривые ρ_п ЭКОС красного и синего цветов), а также повторного измерения прибором №3 (кривая ρ_п ЭКОС зеленого цвета), удовлетворительно повторяют друг друга как по форме, так и по величине удельного электрического сопротивления при его изменении от 4,5 Ом·м до 130 Ом·м.

Из сопоставления кривых ρ_к кажущегося удельного электрического сопротивления зондов AL - Lateral, AN - Normel, ПС (SP), ГК и суммарной кривой ρ_п ЭКОС видно, что кривая ρ_п R_all EKOS по конфигурации (форме) и значению величин сопротивления близка к конфигурации и значению величин ρ_к кривой AN(DEPT) Normel, но несколько более дифференцирована, а в глинистых пластах совпадает с кривой ρ_к AL Lateral. Форма кривой ρ_п ЭКОС в деталях соответствует форме (дифференциации) современной кривой ГК.

2. Аналогичные исследования по выяснению области применения способа и устройства были проведены в «свежей» скв. 100/12-36 Берчил (Канада), пробуренной менее месяца до каротажа ЭКОС, с новой неокислившейся стальной колонной. Скважина вскрыла более древние горные породы с иной литологией - песчаник, глина, уголь, известняк, имеющие более высокие ρ_п от 5 до 3000 Ом·м (Фиг.11), в более жестких условиях каротажа (близость забоя, высокие ρ_п, повышенная температура).

Конструкция скв. 100/12-36 Берчил аналогична описанной скв. 173 Ледюк.

Скважина закончена бурением 04.06.2005 г. при забое 2310 м. Стальная колонна: диаметр наружный - 139,7 мм, толщина стенки - 6,99-7,72 мм.

Измерения по технологии ЭКОС выполнены спустя месяц после обсадки колонной скважины в интервалах глубин: 2291-2238 м (литология - известняк, песчаник, глина - 1 объект) и 1175-1156 м (песчаник, уголь, глина - 2 объект). Использовалась каротажная станция с семижильным бронированным кабелем длиной 4280 м с электрическим сопротивлением жил 30 Ом на 1000 м. Шаг измерения -1,0 м. Температура окружающей среды по данным прибора ЭКОС при каротаже первого объекта достигла 84°С, а при каротаже второго объекта составляла 44°С.

Выполнено 73 м (точек) каротажа, а вместе с повторными статистическими - 112 точек измерения. Время работы составило 8 ч 15 мин, или в среднем 4,4 мин на одно измерение (включая спускоподъемные операции).

Информация об удельном электрическом сопротивлении горных пород ρ_п и электрическом сопротивлении стальной колонны R_k получена в виде таблиц исходных и конечных данных каротажа ЭКОС, электронных копий LAS- файлов, включая данные гамма-каротажа ГК, выполненного для привязки данных ЭКОС по глубине скважины, и кривых электрических зондов, имеющих различные радиусы исследования. Кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород, зарегистрированное тремя зондами малого SFLR, среднего MVR2 и большого DVR2 радиусов исследования, данные ГК (GR), собственных потенциалов SP представлены в виде твердой копии диаграммы (см. фиг.11). Качество измерений хорошее, оценено по повторным измерениям и сопоставлению формы кривых геофизических методов.

Из сопоставления кривых ρ_к кажущегося удельного электрического сопротивления зондов SFLR, MVR2, DVR2 и ρ_п ЭКОС видно, что кривые всех зондов по конфигурации (форме) и значению величин сопротивления хорошо коррелируются. Изменение ρ_п горных пород по данным каротажа ЭКОС зарегистрировано от 3 до 290 Ом·м. Кривая ρ_п ЭКОС по конфигурации и амплитуде наиболее соответствует кривой ρ_к зонда MVR2, что свидетельствует о близости их радиусов исследования (1,5-2 м).

2. Наблюдательная скважина 1755 Троицкая (Россия) закончена бурением в июле 1983 г. Забой: 1670 м. Внутренний диаметр стальной колонны 125 мм, толщина стенки 6-8 мм.

Водонефтяной контакт ВНК по БК, БКЗ, ИК на июль 1983 г.(фиг.12) находился на глубине 1510 м. Газонефтяной контакт ГНК по кривым нейтронного гамма каротажа НГК и электрического каротажа зондами БКЗ был определен на глубине 1498 м.

Исследования технологией электрического каротажа через стальную обсадную колонну ЭКОС выполнены в феврале 2004 г. модификацией зонда Е2Р2 (см. фиг.2а). Геологические данные на февраль 2004 г. по глубине расположения: ВНК - 1497,3 м; ГНК -1493,3 м.

Заземление удаленного электрода N_∞ потенциала произведено за устье скважины, в которой проводились измерения, а обратного токового электрода - за устье соседней скважины (на удалении 100 м).

Измерения выполнены в интервале глубин 1520-1444 м с шагом 1 м и повтором в интервалах глубин 1525-1520 м, 1520-1516 м и 1500-1496 м, т.е. 74 м каротажа, а вместе с повторными статистическими - 120 точек измерения ρ_п.

Сопоставление полученного материала выполнено с данными бокового каротажа БК, зондами БКЗ (1983 г.) и импульсного нейтрон-нейтронного каротажа ИННК (12.02.2003 г.).

Изменение ρ_п горных пород по данным каротажа ЭКОС зарегистрировано от 1,8 до 100 Ом·м. Кривая ЭКОС близка по конфигурации и амплитуде к кривой эффективного сопротивления ρ_э зонда БК (см. верхнюю часть фиг.12), а также по амплитуде - к кривой ρ_кзонда A8M1N (см. нижнюю часть фиг.12), что свидетельствует о близости их радиусов исследования (1,5-2 м). По кривым ρ_п ЭКОС и Fi ИННК на февраль 2004 г. по сравнению с 1983 г.(за 21 год) положение ГНК переместилось с глубины 1498 м на глубину 1494 м (на 4 м выше), и это четко видно по кривой ИННК и ЭКОС, а положение ВНК с глубины 1510 м переместилось на глубину 1499 м (на 11 м выше), что видно только по кривой ρ_п ЭКОС и не видно по кривой Fi ИННК. Кроме того, по сравнению с геологическими данными уточнено положение ВНК на 1.7 м ниже, т.е. запасы месторождения на февраль 2004 г. по глубине выработки по геологическим данным (без каротажа ЭКОС) были определены с большой ошибкой, если учесть, что в течение года месторождение вырабатывалось в среднем по глубине на 0,524 м. Поэтому преимущества нового способа и устройства для решения геологических задач контроля за разработкой очевидны. Они дают большой экономический эффект. При фактическом темпе добычи нефти из месторождения предполагаемая ранее по геологическим данным глубина расположения ВНК 1497,3 м будет достигнута не ранее, чем через 3 года (36,5 месяцев). Используя новые данные, схема разработки месторождения может быть скорректирована в сторону большей интенсификации добычи нефти.

Таким образом, следует считать, что техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, выполнена. Созданы способ и устройство зонда для определения удельного электрического сопротивления ρ_п горных пород в скважинах, обсаженных металлической колонной, обеспечивающих больший динамический диапазон и большую точность измерения ρ_п при одновременном уменьшении размеров зонда и увеличении скорости измерения, существенно расширена их область применения в глубоких скважинах и различных геолого-технических условиях, повышена точность определения параметров пласта и обсадной колонны при их многолетней коррозии, получена дополнительная информация, позволяющая оценивать идентичность каротажных приборов, исключать влияние различного рода неоднородностей колонны, обеспечена корректность измерений потенциала, его первой и второй разности.

В настоящее время исследования новой технологией ЭКОС по заявленному способу и устройству проведены более чем в 20 скважинах в России и за рубежом. Подготовлен серийный выпуск аппаратуры ЭКОС-31-7. Указанное подтверждает полное решение технической задачи и получение технического результата от применения заявленного способа и устройства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Альпин Л.М. Дивергентный каротаж. Прикладная геофизика. М., Гостоптехиздат, 1962, вып. 32, с.192-212.

2. Кашик А.С. и др. Патент РФ №2172006. Способ электрического каротажа обсаженных скважин.

3. Каротаж сопротивлений за обсадной колонной. Нефтегазовое обозрение. Осень 2002, стр.6-31.

4. Quiang Zhou and An Wicaksono. Proper Interpretation of Cased-Hole Resistivity Logs. PETROPHYSICS, VOL. 46, NO.2 (APRIL 2005). P.96-103.

5. Кашик А.С. и др. Патент РФ №2176802. Способ электрического каротажа обсаженных скважин.

Реферат

Изобретение относится к геофизике. Технический результат: расширение диапазона и повышение точности определения удельного электрического сопротивления ρ_п. Сущность: используют многоэлектродный гибкий зонд, измеряющий ток через электроды, потенциал электрического поля и его первые разности. Вычисляют ρ_п, используя установленные функциональные теоретические или экспериментальные зависимости и константы, полученные при поверке аппаратуры. Измерение параметров зонда на каждой точке глубины скважины с заданным шагом дискретности и вычисление ρ_п производят с многократным прижимом измерительных электродов гибкого зонда до получения под воздействием импульсно наращиваемого гидравлического давления необходимого контакта измерительных электродов с колонной и/или совпадающих двух значений ρ_n с учетом доверительной вероятности к точности статистических измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 табл., 12 ил.

Формула

1. Способ электрического каротажа обсаженной скважины, включающий подачу электрического тока, измерение потенциала U электрического поля, его первой ΔU и второй Δ2U разностей при помощи многоэлектродного зонда, выполненного в виде трех эквидистантных измерительных электродов, верхнего и нижнего прямых токовых электродов, расположенных за пределами эквидистантных измерительных электродов симметрично относительно среднего измерительного электрода, причем в каждый из прямых токовых электродов поочередно подают электрический ток I от одного и того же полюса источника и при каждой из подач тока измеряют потенциал электрического поля в точке контакта одного из измерительных электродов с колонной, получают первую разность потенциалов на участке колонны между контактами двух крайних эквидистантных измерительных электродов и вторую разность потенциалов на том же участке колонны, а в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин вычисляют удельное электрическое сопротивление ρ_n в виде функции ρ_n=f(I, U, ΔU, Δ2U) окружающих колонну пластов горных пород, отличающийся тем, что используют многоэлектродный гибкий зонд, заземление обратного токового электрода «В» которого производят за металлическую колонну соседней скважины, или за металлическую обсадку шурфа, или за металлическую рубашку защиты устья металлической колонны, потенциал электрического поля измеряют в точке контакта любого из эквидистантных измерительных электродов или дополнительного измерительного электрода, расположенных на участке между верхним и нижним прямыми токовыми электродами, удаленный электрод N_∞ заземляется вдали от электрода «В» или за устье металлической колонны исследуемой скважины, в каждый из прямых токовых электродов А₁, А₂ поочередно подают электрический ток I_A1, I_A2 от одного и того же полюса источника и при каждой из подач тока измеряют потенциал U (I_A1, I_A2) электрического поля в точке контакта любого из измерительных электродов с колонной, при измерении потенциала U выполняется цифровая фильтрация сигнала от помех, возникающих в линиях связи (многожильном каротажном кабеле) между линиями подачи тока к токовым электродам и линией измерения потенциала U, идентичными измерителями измеряют первые разности потенциала ΔU1(I_A1, I_A2) и ΔU2(I_A1, I_A2 ) между соседними измерительными электродами эквидистантной тройки, вычисляют первую разность ΔU(I_A1, I_A2) между крайними эквидистантными измерительными электродами по формуле

ΔU(I_A1, I_A2)= ΔU1(I_A1, I_A2)+ ΔU2(I_A1, I_A2),

вычисляют вторую разность потенциалов по формуле

Δ2U(I_A1, I_A2)= ΔU1(I_A1, I_A2)-Δ U2(I_A1, I_A2),

в качестве параметра электрического каротажа обсаженных скважин вычисляют удельное электрическое сопротивление окружающего колонну пласта горных пород по формуле ρ_n=CR_ис+b, где R_ис=f(I, U, ΔU, Δ2U) - функция с зависимыми переменными I, U, A2U, измеренными или вычисленными по результатам измерения в скважине, при коэффициенте зонда, равном 1 (единице); С и b - константы, полученные при поверке аппаратуры многоэлектродного гибкого зонда при помощи поверочной установки, состоящей из части обсадной металлической колонны, имеющей наружный диаметр и толщину стенки, равные или большие, чем у колонны, находящейся в исследуемой скважине, а длину - равную или большую, чем расстояние между крайними токовыми электродами зонда, и аттестованной линейки дискретных значений резисторов R_л и R_вм, имитирующих удельное электрическое сопротивление ρ_n и вмещающих горных пород ρ_вм за стенкой колонны при равенстве ρ в Ом·м и R в Ом, включенных соответственно с ее внешней стороны в точках напротив контактов эквидистантных измерительных и токовых электродов многоэлектродного гибкого зонда, при поверке производят многократные статистические измерения и вычисление параметров U(I_A1, I_A2), ΔU1(I_A1, I_A2), ΔU2(I_A1, I_A2), ΔU(I_A1, I_A2), Δ2U(I_A1, I_A2), I_A1, I_A2, значения величин С и b получают из эмпирической зависимости для искомой линейной функции R_л от аргумента R_ил на некотором участке ΔR_л, заданном в табличном виде, с использованием кусочно-линейной аппроксимации из формулы R_л=CR_ил+b, где R_ил=f(I_л, U_л, ΔU_л, A2U_л) - функция с зависимыми переменными I_л, U_л, ΔU_л, Δ2U_лпараметрами многоэлектродного гибкого зонда, измеренными или вычисленными по результатам измерения в поверочной установке и использованием установленных функциональных теоретических или экспериментальных зависимостей, величины С и b подбираются так, чтобы сумма квадратов невязок значений R_ил с линейкой резисторов R_л, т.е.

была минимально возможной, находят коэффициенты С и b из системы уравнений

и

где R_л, R_ил и число измерений N известные величины, по формулам

вычисляют среднее значение

и среднеквадратическую ошибку измерений σ_л при поверке, которыми пользуются для оценки точности определений ρ_п горных пород в скважине, измерение на каждой точке глубины с заданным шагом дискретности и вычисление результата определения ρ_п в скважине выполняют с учетом поправочных коэффициентов С и b, производя многократный прижим измерительных электродов многоэлектродного гибкого зонда и пробивание ржавчины, окисного или закоксованного слоя стальной колонны до получения под воздействием импульсно наращиваемого гидравлического давления необходимого стабильного контакта каждого измерительного электрода с колонной, оцениваемого по амплитуде и форме сигналов параметров I, U, ΔU1, ΔU2 и/или совпадающих двух значений ρ_п при статистических измерениях на одной и той же точке глубины скважины с точностью ±jσ_л, значение j выбирают из ряда целых чисел 1, 2,..., m с учетом доверительной вероятности к точности статистических измерений, или отличающихся значений ρ_п друг от друга при переходе от одной точки глубины скважины к другой на величину ±jσ_л.