Метод высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования

Введение

Огромные по масштаб нефтепромысловые работы на территории Западной Сибири, выполненные к концу 70-х годов, дали обширный материал, на основе которого были созданы соответствующие геологические модели. Всё большее усложнение геоэлектрических разрезов, связанное с необходимость вовлечения в разработку продуктивных пластов малой мощности, и высокие темпы бурения требовали новых технологичных и экономически эффективных средств измерения электрических свойств пород. Метод «ВИКИЗ» удовлетворяет всем поставленным задачам и позволяет решать задачи электрокаротажа за одну спускоподъёмную операцию при эксплуатационном бурении на нефтегазоносных месторождениях.

Метод «ВИКИЗ» обладает высокой радиальной и вертикальной разрешающей способностью. Позволяет выделять пласты коллектора с высоким расчленением разреза по электрическим свойствам в промытой зоне, зоне проникновения и в неизменной части пласта. За одну спускоподъёмную операцию возможно регистрировать шесть характеристик среды, пять из которых несут информацию об электрическом сопротивлении пород на различном расстоянии от оси скважины вглубь пласта, а шестая — потенциал самопроизвольной поляризации.

Также по результатам обработки данных ВИКИЗ возможно получение следующих характеристик разреза:

— коэффициент нефтенасыщенности;

— коэффициент эффективной пористости;

— подвижность нефти в пластах;

— численные значения УЭС.

Решаемые задачи:

— визуальная экспресс-оценка характера флюидонасыщения;

— выделение коллекторов с расчетом эффективной мощности;

— определение УЭС от скважины до незатронутой проникновением части пласта;

— индикация и определение характеристик окаймляющей зоны;

— поиск водонефтяных, газоводяных контактов, а также переходных зон.

Уникальность данного метода заключается в разработке принципиально новых подвижных скважинных устройств — зондов. Все пять зондов размещены в едином корпусе и позволяют измерять относительные характеристики электромагниных полей (разность фаз или амплитуд), также применение подобных зондов и размещение зондовых элементов в соответствии с коэффициентом подобия и использование принципа частотно-геометрического подобия. В данной работе более подробно рассматривается метод «ВИКИЗ», зонды «ВИКИЗ» и их принцип действия, интерпретация диаграмм «ВИКИЗ» и преимущества перед другими методами электрокаротажа.

1. Физические основы ВИКИЗ Метод ВИКИЗ является модификацией метода ВЭМК (высокочастотный электромагнитный каротаж), только в нём в отличии от ВЭМК применяется рабочий диапазон частот от 0,875 до 14 МГц (в ВЭМК — до 800 кГц). Он, как и все электромагнитные методы к которым применяется индукционный подход, основан на возбуждении в породе переменного электромагнитного поля и измерении ЭДС, индуцированной в приёмной катушке зонда.

Зонд ВИКИЗ состоит из 2-х измерительных катушек и одной генераторной. Переменный ток, протекающий в генераторной катушке, создаёт переменное электромагнитное поле, индуцирующее вихревые токи в среде. Их сила тем больше, чем больше проводимость среды. Поле, образуемое в области измерительных катушек, есть сумма полей создаваемое генераторной катушкой (первичное поле) и поле индуцируемое вихревыми токами (вторичное). Напряженность вторичного поля зависит от сила вихревых токов и характеризуется проводимостью горных пород. Первичное поле не несёт информацию о горных породах и его компенсируют (исключают).

В методе ВИКИЗ измеряется относительные характеристики электромагнитного поля — разность фаз.

12p-arctg (p/1+p1+p2+2p1p2), где (1.1)

р=р1-р2 — безразмерный параметр;

р=z/z0=z/=z/2=zf10−7, где (1.2)

длина зонда; =z0 — толщина скин-слоя, определяемая частотой возбуждающего поля f=и электропроводностью, (=410−7).

Скин-слой — это слой толщиной L, в котором поле затухает в е раз. L=1/b, где b-коэффициент поглощения b=aa/2 1+2/(2a2)-1 (a и a-соответственно абсолютные электрическая и магнитная проницаемости;-удельная электрическая проводимость). Скорость, длина и затухание электромагнитной волны в среде зависит от частоты. Меняя частоту, и соответственно, коэффициент поглащения b, удаётся изменить глубину проникновения L, что и используется в данном методе. Чем больше проводимость, тем больше поглощение и изменение фазы на единицу длины.

Принципы изопараметричности зондов ВИКИЗ:

Одноимённые элементы зондов имеют геометрически подобное расположение — условие геометрической изопараметричности.

Отношение рабочих частот любой пары зондов обратно пропорционально квадрату их коэффициента — условие частотной изопараметричности (f1/f2=1/(z1/z2)2), где f1, f2- частоты зондов; z1, z2 -длины зондов.

Отношение произведении моментов генераторной и измерительной катушек любой пары зондов равно кубу их коэффициента подобия — условие изопараметричности магнитных моментов (n1/n2=(z1/z2)3). При измерении разности фаз достаточно первых двух условий.

Ниже на графике видно, как изменяются расстояния между измерительными катушками, измерительными и генераторными, с последовательным уменьшением длины зондов и увеличением рабочих частот.

Процессу увеличения длины соответствует одновременное снижение рабочих частот и, наоборот. С уменьшением длины зонда глубинность исследования уменьшается, но одновременное увеличение частоты сопровождается известным физическим явлением — уменьшением глубины проникновения высокочастотных токов в среду. Чем выше электропроводность и частота, тем в меньшем объёме вблизи зонда концентрируются индуцируемые токи. С увеличением длины зонда возрастает вклад в измеряемые характеристики поля удаленных участков среды. Этот эффект усиливается за счёт одновременного уменьшения рабочих частот, т. е. увеличения проникновения индуцируемых токов в среде. При этом токи в среде распределяются во всём большем объёме, снижая детальность исследования радиальных неоднородностей. Ослабление влияния параметров скважины достигается благодаря регистрации относительных характеристик поля.

Связь «водонасыщение — разность фаз». Удельное сопротивление в переходной зоне рп на удалении h от водонасыщенной части пласта с удельным сопротивлением рВП определяется из следующего выражения:

рП=рВП+(р/h)h, (1.3)

p/h-вертикальный градиент сопротивления.

Согласно уравнению Арчи, можно установить для коэффициента водонасыщения КВ следующую связь с рВП и рП:

КВ=(рВП)0.5[(1/pП)0.5], (1.4)

Заменив рП его выражением (3), получим:

КВ=(1+)-0.5. (1.5)

Здесь =(р/h)(h/рВП) — безразмерный параметр, отражающий интенсивность уменьшения водонасыщенность коллектора в переходной зоне.

Измеряемая разность фаз в однородной среде связана с её удельным сопротивлением см. Выражение (1). Здесь р1 и р2 — безразмерные параметры, равные отношению соответствующей длины зонда к толщине скинслоя. р1=I1[(1/рП)0,5] и р2=I2[(1/рП)0,5], где I1 и I2изопараметры зондов. Из этого можно сделать вывод, что функционально связана с удельным сопротивлением пласта также, как и коэффициент водонасыщения:

=F[(1/pП)0,5]. (1.6)

Учитывая коэффициент водонасыщенности, определенный из функциональной связи (6), позволяет по известной зависимости определить долю нефти в поровом пространстве коллектора КН=1-КВ/ /.

Сочетание принципа частотно-геометрческого зондирования, высокочастотного возбуждения и измерение относительных характеристик, позволило согласовать два важных требования: повышение вертикального разрешения при сохранении приемлемой радиальной глубинности.

1.1 Основные геолого-геофизические задачи, решаемые методом ВИКИЗ Метод высокочастотных индукционных каротажных изопарометрических зондирований предназначен для пространственного распределения удельного электрического сопративления пород, вскрытых скважинами, бурящимся на нефть и газ.

Использование метода ВИКИЗ позволяет решать следующие задачи ГИС:

— расчленение разреза, в том числе тонкослоистого, с высоким пространственным разрешением;

— оценка положения водонефтяных и газоводяных контактов;

— определение УЭС неизменной части пласта, зоны проникновения фильтрата бурового раствора с оценкой глубины вытеснения пластовых флюидов;

— выделение и оценка параметров радиальных неоднородностей в области проникновения, в том числе скоплений соленой пластовой воды («окаймляющие зоны»), как прямого качественного признака присутствия подвижных углеводородов в коллекторах.

Решаемые задачи в вертикальных скавжинах:

— визуальная экспресс-оценка характера флюидонасыщения;

— выделение коллекторов с расчетом эффективной мощности;

— определение УЭС от скважины до незатронутой проникновением части пласта;

— индикация и определение характеристик окаймляющей зоны;

— поиск водонефтяных, газоводяных контактов, а также переходных зон.

Достоинством метода высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования является высокое пространственное разрешение, повышающее эффективность исследования маломощных пластов.

Основные характеристики:

В отличие от трехкатушечных зондов индукционного каротажа, в которых измеряются абсолютные значения сигналов на фоне скомпенсированного прямого поля, метод ВИКИЗ, базирующийся на измерении относительных фазовых характеристик, может использоваться для исследования в скважинах, заполненных сильнопроводящим (УЭС менее 0,5 Ом*м) буровым раствором.

Результаты интерпретации диаграмм ВИКИЗ в комплексе с данными других методов ГИС и петрофизической информацией позволяет определять коэффициент нефтегазонасыщения, литологию терригенного разреза, оценивать неоднородность коллекторских свойствна интервалах пористо-проницаемых пластов, выделять интервалы уплотненных песчаников с карбонатными или силикатным цементом и др.

1.2 Общие ограничения электромагнитных методов каротажа Применение методов индукционного и электромагнитного каротажа должно предваряться оценкой их возможностей в конкретных геоэлектрических ситуациях. Общей основой всех ограничений является несоответствие моделей реальному строению и физическим характеристикам геологической среды, а также наличие погрешностей при реальных измерениях в скважинах. При использовании индукционного возбуждения поля в среде и приема сигналов наибольшие ограничения связаны с изучением плохопроводящих геологических отложений. Наличие высокоомных пород приводит к уменьшению измеряемого сигнала, соответствующему возрастанию отношения шум/сигнал и относительной погрешности измерений. При инверсии таких данных относительные погрешности определения параметров возрастают настолько, что результат становится неопределенным.

Рассмотрим простой пример. Достигнутая в настоящее время в аппаратуре абсолютная точность измерения разности фаз составляет примерно 0,5°. Сигнал в однородной среде при УЭС, равном 300 Ом-м, составляет 0,77° (т.е. относительная погрешность равна примерно 0,65). Коэффициент усиления ошибки при пересчете в кажущееся сопротивление в этом случае составляет 1,11. Следовательно, сопротивление однородной среды будет определяться с относительной погрешностью 0,72 и интервалом неопределенности (300 ± 216) Ом-м.

Неблагоприятным для применения ВИКИЗ является сочетание сильнопроводящего бурового раствора (менее 0,01 Ом-м), широкой зоны проникновения с низким УЭС и высокоомного пласта. Для примера оценим возможность определения сопротивления газового пласта (рп=50 Ом-м) при наличии понижающего проникновения (рзп=0,2 Ом-м, гзп=0,7 м) и при сопротивлении бурового раствора рс= 0,005 Ом-м. Будем полагать, что относительные ошибки измерения составляют 0,03. Средний коэффициент усиления ошибки для инверсии составляет 22,1. Следовательно, относительная погрешность определения УЭС пласта будет около 0,66, что соответствует интервалу неопределенности (17—83) Ом-м.

Аналогичные проблемы по достоверному определению УЭС пласта возникают при широких (сравнимых с длиной зонда) зонах проникновения пониженного сопротивления.

2. Аппаратура ВИКИЗ Аппаратура ВИКИЗ обеспечивает измерение разностей фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках пяти электродинамически подобных трехкатушечных зондов, и потенциала самопроизвольной поляризации ПС.

Габаритные размеры скважинного прибора: диаметр — 0,073 м, длина — 4,0 м. Прибор состоит из зондового устройства, блока электроники и наземной панели.

2.1 Пространственная компоновка элементов зондового устройства В аппаратуре ВИКИЗ используется набор из пяти трехкатушечных зондов. Конструктивно зондовое устройство выполнено на едином стержне и все катушки размещены соосно. Геометрические характеристики зондов представлены в табл. 4.I.

На рис. 4.1 показана схема размещения катушек на зондовом устройстве. Здесь приняты следующие обозначения: Гр Г2, Г3, Г4, Г5 — генераторные катушки; И1, И2, И3, И4, И5, И6 — измерительные катушки.

Таблица 2.1

Все генераторные и измерительные катушки зондов меньшей длины размещены между катушками двухметрового зонда.

Рисунок 2.1 — Пятизондовая система

2.2 Структурная схема аппаратуры индукционный каротажный зондирование скважинный Структурная схема скважинного прибора представлена на рис. 2.2. Блок электроники обеспечивает поочередную работу зондов. Первой включается генераторная катушка Г и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках Ир И2. Второй включается катушка Г2 и измеряется разность фаз между э.д.с., наведенными в измерительных катушках И2, И3. Далее поочередно включаются генераторные катушки остальных зондов.

Электронная схема содержит: усилители мощности — 1 — 5; смесители — 6- 11; аналоговый коммутатор -12; перестраиваемый гетеродин -13; устройство управления скважинным прибором -14;усилители промежуточной частоты -15, 16;опорный кварцевый генератор -17;широкополосный фазометр -18; передатчик телесистемы -19; выходное устройство -20; блок питания -21.

Смесители расположены в зондовом устройстве рядом с измерительными катушками. Там же установлен аналоговый коммутатор. Остальные элементы схемы расположены в блоке электроники.

Скважинный прибор подключается к наземной панели с помощью трехжильного кабеля. При регистрации на компьютеризированную каротажную станцию функции наземной панели может выполнять соответствующая программа.

Рисунок 2.2 — Структурная схема скважинного прибора

Наземная панель — автономная микропроцессорная система, которая выполняет следующие основные функции:

— обеспечивает питание скважинного прибора;

— принимает цифровые сигналы от скважинного прибора;

— учитывает сигналы «нули воздуха» (фазовые сдвиги в непроводящей среде);

— трансформирует принятые сигналы в значения нормированной разности фаз;

— преобразует результаты обработки в аналоговые сигналы (если используются аналоговые регистраторы);

— передает результаты обработки по стандартному последовательному интерфейсу RS-232;

— отображает на светодиодном индикаторе коды текущих режимов и результаты измерений.

Наземная панель состоит из следующих блоков (рис. 2.3):

— микроконтроллера;

— формирователя входного сигнала;

— 5-канального ЦАПа;

— интерфейса RS-232;

— энергонезависимого ОЗУ;

— светодиодного индикатора;

— блока управления;

— фильтра сигнала ПС (ФПС);

— сетевого источника питания;

— источника питания для скважинного прибора. Микроконтроллер обеспечивает общее управление панелью.

Формирователь сигнала отделяет информационный сигнал от напряжения питания зонда (они передаются по одной жиле кабеля), а также преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов с уровнями транзисторно-транзисторной логики.

Рисунок 2.3 — Структурная схема наземной панели Для аналоговых регистраторов 5-канальный ЦАП формирует напряжения постоянного тока, пропорциональные измеренным значениям разности фаз.

Интерфейс RS-232 предназначен для передачи измеренных значений в цифровом коде.

Энергонезависимое ОЗУ обеспечивает хранение значений «нулей воздуха» скважинного прибора, которые учитываются при каждом измерении.

Индикаторный светодиодный модуль отображает результаты измерений, а также коды текущих режимов работы.

Фильтр сигнала ПС осуществляет низкочастотную фильтрацию.

Сетевой источник питания преобразует сетевое напряжение в ряд постоянных напряжений +5 В, +24 В и —12 В, которые используются для питания собственно элементов панели.

Источник питания скважинного прибора преобразует выходное напряжение сетевого источника (+24 В) в напряжение постоянного тока (+140 В).

2.3 Схема функционирования скважинного прибора и наземной панели Скважинный прибор работает следующим образом (см. рис. 2.2). Сигнал, стабилизированный по частоте, с опорного генератора17 поступает в устройство управления скважинным прибором14, в котором вырабатываются сигналы, управляющие генераторными частотами. По команде из того же устройства14 через усилитель мощности1на катушку первого зонда подается рабочая частота. По команде из устройства14 настраивается частота гетеродина 20, смещенная относительно генераторной частоты на величину промежуточной частоты Дf. Переменный ток в генераторной катушке возбуждает в окружающей среде электромагнитное поле. Это поле наводит в измерительных катушках И1 — И6 э.д.с., зависящие от электрофизических свойств горных пород. Эти э.д.с. передаются на входы смесителей6 — 11, а на их вторые входы поступает сигнал гетеродинной частоты. На выходе смесителей появляются сигналы промежуточной частоты с теми же фазами, что и у высокочастотных сигналов.

Процесс измерения происходит в два этапа. На первом этапе по команде из устройства14аналоговый коммутатор12 подключает сигнал от смесителя6к усилителю промежуточной частоты15, а сигнал от смесителя7- к усилителю промежуточной частоты16. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра18. После окончания переходных процессов в генераторных, гетеродинных цепях и усилителях15, 16 по команде из устройства14 фазометр18 начинает первое измерение, в конце которого данные сохраняются. Затем начинается второй этап работы. По команде из устройства14аналоговый коммутатор12 подключает сигнал от смесителя6 к усилителю промежуточной частоты16, а сигнал от смесителя7- к усилителю промежуточной частоты15. Усиленные и сформированные сигналы подаются на входы фазометра18. После окончания переходных процессов по команде из устройства14 фазометр18начинает второе измерение. Измеренные данные суммируются с результатом первого измерения, при этом полезное значение разности фаз удваивается, а паразитное, возникающее из-за влияния на каналы усиления дестабилизирующих факторов, вычитается. Таким образом, перекрестная коммутация позволяет увеличить точность измерения. В фазометре происходит измерение разности фаз Дц между входными сигналами и их периода Т, усредненного по двум измерениям. Величины Дц и Т с помощью передатчика ТЛС19 по линии связи передаются на регистрацию через выходное устройство20. Это устройство выделяет передаваемую информацию на фоне тока, поступающего по кабелю к блоку питания21. Блок 21преобразует постоянный ток в напряжения питания узлов прибора. После этого из устройства14 поступает новая команда, обеспечивающая прекращение работы первой генераторной катушки Г1 и включение в работу второй генераторной катушки Г2, работающей на другой частоте. Одновременно на выходе гетеродина13появляется сигнал новой гетеродинной частоты, которая отличается от новой генераторной частоты на ту же самую величину Дf Аналоговый коммутатор12выбирает новую пару измерительных катушек И2, И3, и процесс измерения повторяется. Далее по очереди работают все остальные генераторные катушки Г3, Г4, Г5, каждая на своей частоте. Соответствующие подключения осуществляются в гетеродине 13 и в аналоговом коммутаторе12. После окончания всего цикла вновь работает первая генераторная катушка Г1, и весь цикл повторяется.

2.4 Метрологическое обеспечение Основным методом контроля метрологических характеристик является измерение в однородной среде с известным УЭС. Однородная среда может быть заменена водоемом с минерализованной водой. Для достижения допустимых погрешностей, обусловленных конечными размерами водоема, его глубина и поперечные размеры должны превышать 6 м. При этом необходимо обеспечить одинаковые значения УЭС во всем объеме раствора с погрешностью не более 1%. Из-за нелинейности зависимости разности фаз Дщ от величины УЭС необходимо проводить измерения по крайней мере в пяти точках рабочего диапазона измерений. Это можно реализовать путем изменения минерализации воды.

Другим способом метрологического контроля является использование физической модели, имитирующей сигналы, как в однородной среде. К такой модели предъявляют два основных требования: параметры должны поддаваться измерению с необходимой точностью; математическая модель, описывающая физическую, должна обеспечивать требуемую точность расчета. Для этих целей было выбрано проволочное кольцо, соосное с катушками зонда. Оно представляет собой замкнутый одновитковый контур, состоящий из последовательно включенных индуктивности L, сопротивления Rи емкости конденсатора С.

Рисунок 2.4 — Схема расположения кольца Здесь L1и L2- расстояния от измерительных катушек И1 и И2 до генераторной катушки Г, bрадиус кольца, Zрасстояние от плоскости кольца до измерительной катушки И1, ток в генераторной катушке изменяется по закону J=J0 — eiщt. Рабочая частота зондаf= щ/2рКомплексное сопротивление цепи кольца на рабочей частоте R + iX. Активное сопротивление R складывается из потерь в высокоомном проводе и в конденсаторе, включенном в разрыв цепи. Реактивное сопротивление X =1/щCщL.

Методика метрологической аттестации основана на зависимости величины Дц от электрических параметров Rи X тонкого кольца, его радиуса b и положения z относительно катушек. При изменении z от 0 доL1величина Дц имеет два максимума и один минимум. При выполнении условияb

Величина реактивного сопротивления X, зависящая от радиуса кольца b, выбрана так, чтобы значения Дц были максимальными. Для получения значения Дц, равного верхнему пределу диапазона измерения, подбирают значение активного сопротивления R. Учитывая, что величина R определяется в основном потерями в кольце, выбирают диаметр провода так, чтобы его сопротивление на рабочей частоте было немного меньше значения R. После этого рассчитывают индуктивность кольца на рабочей частоте. По значениям индуктивности кольца и реактивного сопротивления X рассчитывают необходимую емкость конденсатора.

На этой основе разработан имитатор УЭС горных пород ИМ. Устройство имитатора показано на рис. 2.5. Собственно имитатор образован кольцом 7, выполненным из манганинового провода и закрепленным на электроизоляционном диске4. Кольцо имеет два разрыва. В одном вставлен конденсатор8, в другом — коаксиальный измерительный разъем 6. В рабочем состоянии этот разъем закорочен дисковым замыкателем с пренебрежимо малой остаточной индуктивностью (менее 10−10 Гн). При помощи болтов 5 диск с кольцом может быть соединен с фланцем 3, который укреплен на втулке 2 подвижным резьбовым соединением. Втулка2крепится на корпусе прибора1болтами 5. Для точной установки имитатора вдоль оси зонда вращают диск4. При этом вращении фланец3и диск4с закрепленным на нем кольцом7 будут перемещаться по резьбе вдоль закрепленной на корпусе втулки 2.

Рисунок 2.5 — Устройство имитатора Для уменьшения искажений электромагнитного поля все детали имитатора, за исключением провода кольца и измерительного разъема, выполнены из электроизоляционных материалов.

Для расчета э.д.с. в измерительных катушках зонда в присутствии имитатора необходимо достаточно точно знать его параметры и местоположение. Конструкция имитатора обеспечивает его относительное перемещение с погрешностью не более 0,05 мм. Начальное положение z0, в котором, А у = 0, также определяется с погрешностью не более 0,05 мм. Погрешность определения радиуса кольца обусловлена технологией изготовления имитатора и не превышает 0,1 мм.

Значения сопротивленийRи X определяют на эталонной установке MCR-1372 (СНИИМ, Новосибирск) по следующей методике. Имитатор присоединяют к установке через его разъем, с которого предварительно снимают замыкатель. Кроме того, между разъемом имитатора и присоединительным устройством установки включают достаточно длинную прецизионную коаксиальную линию, чтобы исключить взаимодействие электромагнитного поля, генерируемого кольцом имитатора, с металлическими частями установки. Рабочее место при поверке имитаторов организуется так, чтобы в окружающем пространстве электропроводящие предметы были удалены на достаточное расстояние. Их возможное влияние оценивается экспериментально перед началом поверки. Пределы допускаемых погрешностей определения сопротивлений R и X составляют 0,7 — 0,8% в зависимости от рабочей частоты и электрических параметров имитаторов.

2.5 Основы метрологической поверки Основной принцип метрологической поверки состоит в сопоставлении независимых результатов математического моделирования и физических измерений в полностью заданной физической модели Для программ математического моделирования измеряемых характеристик должны быть представлены результаты по оценке точности вычислений.

Рисунок 2.6 — Зонд ВИКИЗ При описании физической модели необходимо указать точность измерения ее параметров. При проведении поверки необходимо, чтобы точность измерения параметров физической модели и точность расчета соответствующей математической модели обеспечивали трехкратный запас по отношению к паспортной точности измерения поверяемой аппаратуры.

Результатом метрологической поверки является соответствие (или несоответствие) точности измерения поверяемой аппаратуры ее паспортным данным. Схема поверки приведена на рис. 2. Существует ряд моделей, для которых можно с достаточной точностью вычислить измеряемые характеристики. Ниже приводится их список.

— однородная среда;

— два полупространства, одно из которых непроводящее;

— проводящий цилиндр;

— проводящий цилиндрический слой или пленка;

— плоская проводящая пленка;

— тонкое проводящее кольцо.

Рисунок 2.7 — Схема поверки

2.4.1 Однородная среда Наиболее адекватно однородная среда моделируется водоемом со слабоминерализованной водой. При этом габариты водоема (глубина и поперечный размер) должны в 2 — 4 раза превышать длину наибольшего из зондов, входящих в состав аппаратуры, в зависимости от типа аппаратуры и минерализации воды. Кроме того, необходимо иметь несколько таких водоемов для поверки аппаратуры во всем диапазоне измерений.

Создание такого комплекса сооружений, поддержание неизменности его параметров (концентрации электролита и его температуры) с необходимой точностью и обеспечение поверочных работ требуют неоправданно больших расходов. Поэтому встает вопрос о замене комплекса водоемов более простыми и дешевыми поверочными средствами.

2.4.2 Два полупространства Профилирование границы «электролит — воздух» осуществлялось для нижнего полупространства с УЭС, равным 0,4 Ом * м. Это сопротивление соответствует нижней границе диапазона измерения аппаратуры ВИКИЗ. На рис. 3 приведены результаты расчетов кривых профилирования.

При анализе метрологических возможностей кривых профилирования следует исходить из того, что реально допустимая абсолютная погрешность установки зонда относительно границы раздела составляет около 10 мм. Анализ численных данных профилирования для зонда длиной 2 м показывает, что на краях основного диапазона удается обеспечить полутора-двукратный запас по точности вместо трехкратного. В средней части диапазона погрешность определения разности фаз по кривой превышает погрешность аппаратуры. Для остальных зондов погрешность определения Df по кривой профилирования еще больше и возрастает обратно пропорционально длине зонда.

Поэтому использование отдельных фиксированных точек расчетной кривой профилирования в качестве поверочного средства не представляется целесообразным.

Однако использование вместо отдельных характерных точек большого количества измерений с постоянным шагом может привести к удовлетворительному результату. Экспериментальная кривая профилирования, записанная с помощью прибора, подвешенного на слаборастяжимом тросе, может иметь взаимную невязку по глубине, измеряемую десятыми долями миллиметра для любых точек на этой кривой. При этом стартовая ошибка позиционирования зондов относительно границы двух сред является систематической и может быть устранена совмещением расчетной и экспериментальной кривых.

Рисунок 2.8 — Профилирование границы раздела «воздух — электролит» зондами ВИКИЗ

2.4.3 Проводящий цилиндр Следующая модель, рассматриваемая в качестве претендента на роль поверочного устройства, — это цилиндр относительно небольшого радиуса, заполненный внутри сильно минерализованной водой. У этой модели существует естественное ограничение: предельная концентрация солей (NaCl) в водном растворе составляет около 30% при комнатной температуре, что соответствует УЭС раствора, примерно равному 0,04 Ом * м. Использование кислот (НСl) вместо солей позволяет снизить УЭС в два-три раза, однако весьма нежелательно с точки зрения безопасности эксплуатации. В рассматриваемой модели возможны два способа поверки аппаратуры во всем диапазоне измерения. Первый осуществляется изменением радиуса цилиндра при постоянном сопротивлении раствора. Второй — изменением УЭС раствора при постоянном радиусе цилиндра.

Рисунок 2.9 — Зависимость разности фаз от радиуса проводящего цилиндрического слоя радиуса проводящего цилиндра Расчет первого варианта показал, что при минимально возможном УЭС раствора весь диапазон измерения аппаратуры ВИКИЗ обесценивается изменением радиуса цилиндра от 805 до 875 мм для зонда длиной 2 м. Для остальных зондов указанные размеры уменьшаются пропорционально длине зонда (рис. 4). Из результатов расчета следует, что для обеспечения требуемой точности воспроизведения величины Df погрешность радиального размера цилиндра не должна превышать 0,6 мм для самого длинного зонда и 0,15 мм для самого короткого зонда. Учитывая реальные условия эксплуатации, когда цилиндры заполняются раствором массой около тонны, следует признать, что данная модель на практике не реализуема.

Анализ второго варианта показал, что цилиндр радиусом 45 -50% от длины соответствующего зонда может быть использован в качестве поверочного средства путем изменения УЭС раствора, заполняющего цилиндр. При этом точность определения УЭС должна быть не хуже 5%. Погрешность определения радиуса цилиндра, как и в предыдущем варианте, очень сильно влияет на точность измерения разности фаз. Однако в данном случае эта погрешность является систематической и может быть существенно снижена при расчете величины Df в различных точках диапазона измерения. К недостаткам данной модели можно отнести относительно сложное устройство из пяти цилиндров различного радиуса, а также необходимость многократной смены раствора в процессе поверки. Создание и эксплуатация такой модели не намного проще комплекса баков.

2.4.4 Тонкий проводящий цилиндрический слой Следующая рассматриваемая модель представляет собой тонкий проводящий цилиндрический слой, находящийся в воздухе и соосный зондам ВИКИЗ. Расчеты показывают, что при отношении радиуса слоя к длине зонда около 40% и отношении толщины слоя к длине зонда 2,8% слой с УЭС, равным 0,04 Ом * м, обеспечивает те же показания зондов, что и однородная среда с УЭС, равным 0,4 Ом * м (Рис. 5). Как и в предыдущем случае, поверка аппаратуры может осуществляться путем изменения УЭС раствора, заполняющего цилиндрический слой.

При этом погрешность определения радиуса слоя должна составлять 3,5%, толщины — 2,5% и УЭС — 2% от измеряемой величины. Преимущества этой модели перед предыдущей заключаются в уменьшении на порядок объема используемых растворов и в меньшей чувствительности к погрешностям определения размеров модели, что дает возможность реализовать ее на практике.

Используя понятие продольной проводимости, равной произведению удельной электропроводности на толщину слоя, рассмотрим еще одну модель. Она представляет собой цилиндрическую поверхность с нанесенным проводящим покрытием. При условии малости толщины покрытия в сравнении с радиусом цилиндрической поверхности и длиной зонда ВИКИЗ показания последнего зависят только от величины продольной проводимости.

Используя результаты анализа предыдущей модели, получаем величину продольной проводимости в 350 миллисименсов для имитации однородной среды с УЭС, равным 0,4 Ом * м. Для другого конца рабочего диапазона аппаратуры ВИКИЗ проводимость должна составлять 0,7 миллисименса. Алюминиевое покрытие обеспечивает такую проводимость при толщине 0,02 нанометра Для обеспечения реализуемых покрытий толщиной в единицы микрометров необходимы материалы с удельным сопротивлением на пять порядков большим, чем у алюминия.

Рисунок 2.10 — Профилирование тонкой пленки толщиной 1% от длины зонда, сопротивлением 0,04 Ом*м

2.5.5 Проводящая плоскость Еще одна модель, использующая пленку с проводящим покрытием, представляет собой плоскость, перпендикулярную оси зонда. Наибольшая величина разности фаз получается, когда пленка проходит через крайнюю измерительную катушку. Для имитации однородной среды с УЭС, равным 0,4 Ом * м, величина продольной проводимости алюминиевого покрытия должна составлять 125 миллисименсов для зонда длиной 0,5 м. В отличие от предыдущей модели имитация всего рабочего диапазона аппаратуры ВИКИЗ может осуществляться перемещением такой пленки к внутренней измерительной катушке (рис. 6). Такая модель может быть реализована путем использования покрытий с удельным сопротивлением на три порядка большим, чем у алюминия, и обеспечения точности установки проводящей плоскости около одной десятой миллиметра вдоль оси зонда.

2.5.6 Тонкое проводящее кольцо Проволочные кольца традиционно используются для градуировки аппаратуры индукционного каротажа. Доказана также возможность поверки аппаратуры ВИКИЗ с помощью проволочных колец. При использовании кольца его центр располагается на оси зонда, а плоскость кольца перпендикулярна его оси. Величина разности фаз между э.д.с, наведенными в измерительных катушках зонда в присутствии кольца, зависит от радиуса кольца, его положения относительно катушек зонда, а также от активного и реактивного сопротивления цепи кольца. Три из указанных четырех параметров можно совместно оптимизировать с целью снижения требований к точности изготовления кольца и определения величин этих параметров. Однако для аппаратуры ВИКИЗ радиус кольца, полученный в результате оптимизации, составляет около 70% от длины зонда, что крайне усложняет его эксплуатацию.

Тем не менее, для любого заданного радиуса можно оптимизировать оставшиеся параметры — положение кольца на оси зонда и реактивное сопротивление в цепи кольца. При таком подходе для выбранного радиуса кольца находятся оптимальное реактивное сопротивление и положение кольца, а величина разности фаз, создаваемая кольцом, изменяется путем изменения активного сопротивления кольца. Такая конструкция, содержащая конденсаторы, резисторы и систему коммутации в цепи кольца, разработана и изготовлена. Однако большие поперечные размеры проводника кольца, значительное отклонение таковых линий от круговых в местах расположения радиодеталей и коммутатора существенно усложняют расчет системы «зонд — кольцо» и не обеспечивают необходимой точности расчета. В результате дальнейшего анализа выбрана следующая конструкция поверочного устройства.

Рисунок 2.11 — Сравнение теоретической и экспериментальной кривых профилирования 2 м зонда ВИКИЗ проволочным кольцом Для каждого зонда ВИКИЗ изготавливают свое кольцо из провода с высоким удельным сопротивлением. Радиус средней линии кольца выбирают максимально возможным, исходя из удобства эксплуатации. В цепь кольца включают конденсатор, обеспечивающий оптимальную величину реактивного сопротивления кольца. Далее определяют оптимальное положение кольца на оси зонда, при котором разность фаз, измеряемая зондом, будет максимальной. В этом положении выбирают материал провода кольца и его диаметр такими, чтобы активное сопротивление цепи кольца обеспечивало максимальную разность фаз, соответствующую краю диапазона измерения аппаратуры ВИКИЗ. Для выбранных значений емкости конденсатора и диаметра провода уточняют оптимальное значение диаметра кольца. Уменьшение разности фаз получают путем профилирования, то есть перемещения кольца в сторону генераторной катушки. Если радиус кольца не превышает 4/9 от длины зонда, то величина Df на кривой профилирования меняет знак. Точка перехода через нуль, в отличие от точки с максимальным значением разности фаз, очень легко фиксируется и служит началом отсчета для получения той или иной точки диапазона измерения аппаратуры ВИКИЗ. Необходимая точность установки кольца вдоль оси зонда реализуется с помощью простого механического устройства.

3. Качество каротажного материала Общие требования к качеству материалов ГИС определяет действующая «Инструкция по приемке результатов измерений при геофизических и геохимических исследованиях скважин». Все общие положения данной Инструкции в полной мере относятся к материалам ВИКИЗ.

3.1 Общие требования Здесь приведены необходимые для ВИКИЗ положения Инструкции, а также дополнительные требования, обусловленные спецификой метода.

Перечень требуемой информации:

— название геофизической организации;

— название предприятия бурения;

— название площади, номер скважины;

— данные о скважине, в частности, глубина забоя, диаметр и глубина башмака колонны (при наличии);

— номер скважинного прибора ВИКИЗ;

— дата измерений;

— повторные контрольные записи длиной не менее 50 м в исследуемом интервале;

— при записи на регистратор с аналоговыми входами необходима запись «нульсигнала» (Дц= 0) и «стандарт-сигнала» (Дц = 25°) в основном файле.

Условия проведения каротажа:

— скорость регистрации не более 2000 м/ч;

— шаг квантования по глубине не более 0,2 м; Требования к качеству материалов:

— отклонение «нуль-сигнала» и «стандарт-сигнала» от номинальных значений не должно превышать 0,2 °;

— отклонение основной и повторной записей от их средних арифметических значений Ау не должно превышать значения ± (0,2° + 0,03- Дц).

Для оценки качества и проведения интерпретации данных требуется наличие на каротажной диаграмме следующих элементов:

— калибровочных уровней 0 и 25 °;

повторного замера на перекрывающемся с основной записью интервале.

3.2 Калибровочные уровни Для регистраторов с аналоговым интерфейсом наличие калибровочных уровней в первичной записи диктуется технологией регистрации, но, как правило, эти уровни не сохраняются после первичной обработки. Для этого в процессе каротажа и изменения глубины (в начале или конце записи) необходимо включить наземную панель в режим калибровки. В результате этого в основной записи будут присутствовать необходимые уровни.

Для регистраторов с цифровым интерфейсом наличие необходимых уровней в записи должно обеспечиваться программно.

Допускаются отклонения ± 0,2° от номинальных значений.

3.3 Повторные замеры Повторные измерения на перекрывающихся интервалах широко используются в каротаже для контроля качества материалов ГИС. В этом случае контролируется, прежде всего, качество работы скважинного прибора, а не регистрирующей аппаратуры.

Аппаратура ВИКИЗ обладает высокой точностью измерений, диаграммы соответствующих зондов при повторных измерениях должны иметь незначительные относительные расхождения: не более 3% для двух длинных и не более 5% для трех коротких зондов. Расхождения показаний на повторных записях, превышающие эти значения, могут происходить либо из-за неисправности прибора, либо из-за некачественной записи.

Важно помнить, что для оценки качества материала можно рассматривать данные, записанные только во время одного и того же каротажа, т. е. с минимальным временным интервалом. Это обусловлено высокой разрешающей способностью ВИКИЗ в радиальном направлении и чувствительностью к небольшим изменениям геоэлектрических параметров зоны проникновения.

На рис. 3.1 приведены повторные записи диаграмм (показаны пунктиром) на интервале 40 м. Видно, что различия в записях не превосходят уровня ошибок измерения.

3.4. Начальные фазовые сдвиги зондов Все модификации скважинных приборов, за исключением последней модели, использующей микропроцессор, имеют ненулевые начальные фазовые сдвиги. То есть при измерении в воздухе зонды ВИКИЗ имеют ненулевые показания, обусловленные особенностями каждого прибора. Эти значения являются постоянными для всего диапазона измеряемых значений и могут изменяться только при изменениях конструктивных параметров зондов или электронной схемы.

Для компенсации начальных фазовых сдвигов предусмотрен режим учета их в наземной панели (калибровка). При этом зафиксированные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) показания прибора в воздухе автоматически компенсируются при проведении измерений. Для правильного функционирования этого режима необходимо строгое соблюдение следующих условий проведения измерений: «нулевые» значения записываются в память, когда прибор находится вдали от массивных металлических предметов и конструкций, установлен на козлах и при положительной температуре. При этом скважинные исследования можно проводить только с той конкретной наземной панелью, на которой была произведена калибровка аппаратуры.

Рисунок 3.1 — Повторная запись диаграммы

4. ВИКИЗ в комплексе методов и их качественная интерпретация

4.1 Качественная и количественная интерпретация Качественная и количественная интерпретация материалов каротажа имеет ограничения. Возможности того и другого подхода в интерпретации становятся более определенными и однозначными при наличии достоверной информации о разрезе. Во многом правильность выводов о геологических объектах основана на достоверности полученных данных. Вопросам оценки достоверности и контроля исходных данных посвящена предыдущая глава. Это позволяет рассматривать приводимые ниже материалы, не сомневаясь в их качестве.

Некоторые вопросы качественной экспресс-интерпретации могут решаться на основе визуального анализа диаграмм ВИКИЗ, ПС и других методов. По его результатам можно выделять коллекторы с оценкой их вертикальной неоднородности. При благоприятных условиях возможна качественная оценка характера флюидонасыщения. При этом данные о граничных значениях удельного сопротивления продуктивных пластов в конкретной залежи сужают неопределенность качественного заключения.

Наиболее часто пласты-коллекторы в терригенном разрезе выделяются по радиальному градиенту удельного сопротивления. Это характерно при наличии зоны проникновения фильтрата бурового раствора, отличающейся по удельному сопротивлению от незатронутой части пласта. Изменения кажущихся сопротивлений от зонда к зонду могут быть прямым показателем проницаемости мощного пласта.

Эффективность качественной интерпретации и достоверность заключения основаны на:

— слабой зависимости измерений от параметров скважины и примыкающей к ней области;

— высокой разрешающей способности как в радиальном направлении, так и вдоль скважины;

— хорошей точности измерений и их стабильности.

Оценка значений удельного сопротивления пластов-коллекторов и зон проникновения выполняется в программе МФС ВИКИЗ. Вместе с тем, практические диаграммы могут дать достаточно полную информацию и без количественной обработки. Так при относительно неглубоком проникновении фильтрата достаточно просто устанавливается соответствие кажущихся УЭС истинным значениям. Анализ данных по комплексу методов повышает достоверность выводов о разрезе. Рассматриваемые далее материалы подробно обсуждаются именно с этих позиций.

Как уже отмечалось, некоторые вопросы геологической интерпретации данных могут решаться на основе визуального анализа диаграмм ВИКИЗ и ПС. В комплексе с радиоактивными методами достоверность выводов возрастает. По результатам зондирования можно с высокой достоверностью выделять коллекторы, располагая минимальной априорной информацией о технологии вскрытия разреза. Так, признаки наличия окаймляющей зоны отражаются инверсией (появлением экстремума) кривых зондирования, а безошибочность ее диагностики опирается на оценки пространственной разрешающей способности.

Обычно все пять измерений располагаются на одном поле каротажных диаграмм. Связь разности фаз с удельным сопротивлением является нелинейной. По разным соображениям шкала для данных может быть представлена в значениях либо разностей фаз (линейная шкала), либо кажущегося сопротивления (логарифмическая или линейная шкала). Отметим основные изменения вида каротажных диаграмм, обусловленные использованием различных масштабных шкал.

Линейная шкала разностей фаз. В этом случае каротажные диаграммы прямо отображают измерения. Чем выше электропроводность среды, тем сильнее изменяются диаграммы. Такое представление данных создает определенные методические удобства. Так, низкоомные отложения (глины, насыщенные солеными водами коллекторы и т. п.) легко распознаются за счет больших значений разности фаз, соответствующих этим интервалам.

Логарифмическая шкала кажущихся сопротивлений. Логарифмическая шкала «сжимает» диаграммы кажущихся сопротивлений в диапазоне малых значений (до 10 Ом-м) и «растягивает» в интервале больших удельных сопротивлений. Это приводит к хорошему визуальному выделению пластов высокого сопротивления.

Линейная шкала кажущихся сопротивлений. Такая трансформация приводит к сильным изменениям вида диаграмм: кривые сжаты в самом информативном для индукционных методов каротажа низкоомном диапазоне. Такой способ представления данных снижает визуальное разрешение в породах с низкими удельными сопротивлениями (песчанистые глины, алевролиты и т. п.). В то же время высокоомные интервалы хорошо дифференцируются по сопротивлению.

4.2 Выделение уплотненных прослоев В качестве примера на рис. 7.1 (а — г) приведены фрагменты каротажных диаграмм различных методов электрического и электромагнитного каротажа, полученных в одной из скважин в интервале глубин 1955 — 2000 м.

Данные для зондов высокого вертикального разрешения — микробокового каротажа (МБК), ВИКИЗ-0,5 м и потенциал-зонда (0,5 м), приведены на рис. 7.1, а. Отмечается хорошая дифференциация диаграммы ВИКИЗ в интервалах низких сопротивлений (менее 4 — 5 Ом-м). Тонкая слоистость выделяется коротким зондом с достаточно высокой детальностью, уступая только зонду МБК. При этом их кажущиеся сопротивления различаются, поскольку короткий зонд значительно сильнее исключает влияние скважины, чем МБК.

Анализ диаграмм ВИКИЗ-0,7 м, бокового каротажа (БК-3) и потенциал-зонда (см. рис. 4.1, б) показывает их высокую корреляцию при расчленении разреза. Отличительной чертой зонда длиной 0,7 м является хорошее вертикальное разрешение в интервалах относительно низкого удельного сопротивления. Отметим более высокое разрешение электромагнитных зондов по сравнению с потенциал-зондом при выделении пластов с малыми и средними значениями УЭС. Границы пластов, выделенных по диаграммам ВИКИЗ, находятся в полном соответствии с данными БК.

Сравнение диаграмм стандартного индукционного зонда, широко применяемого при исследовании эксплуатационных скважин, с длинным зондом ВИКИЗ показано на рис. 4.1, в. Для зонда ВИКИЗ характерна более высокая детальность расчленения разреза. Значения их кажущихся удельных сопротивлений различаются, но для зонда ВИКИЗ значения рк ближе к истинным УЭС пластов. Этот факт подтверждается результатами инверсии. На рис. 4.1, г приведены диаграммы ВИКИЗ и ПС, а также выделены интервалы с инверсией кривых зондирований, указывающих на наличие окаймляющей зоны. На этих интервалах выделяются нефтенасыщенные коллекторы.

Литологическое расчленение терригенных разрезов на качественном уровне становится более достоверным, если диаграммы ВИКИЗ и ПС дополнены данными радиоактивных методов — НКТ и ГК. Методика комплексного использования этих методов общеизвестна. При дальнейшем обсуждении результатов интерпретации диаграмм ВИКИЗ и ПС будут привлекаться данные радиоактивных методов.

Выделяются уплотненные непроницаемые пропластки, вероятно, песчаников, которые характеризуются высокими значениями удельного сопротивления, низким содержанием водорода (по данным НКТ) и низким значением естественной радиоактивности (по ГК), а также отрицательной аномалией ПС. Такие пропластки можно увидеть на диаграммах (рис. 4.2). Учитывая низкое водородосодержание в этих пропластках по данным НКТ, можно констатировать, что песчанистые интервалы зацементированы. Аналогично выделяются уплотненные пласты в интервале продуктивных и водоносных песчаников, которые отмечаются высокими значениями кажущихся сопротивлений, чрезвычайно низким значением пористости по НКТ, низким уровнем седиментационной пелитности минерального состава по ГК и ПС.

Достоверность литологического расчленения по диаграммам ВИКИЗ подтверждается высокой степенью корреляции между данными различных методов.

а — 1 — ВИКИЗ (0,5 м), верхняя шкала, 2 — боковой микрозонд, 3 — потенциал-зонд (AM= 0,5 м), нижняя шкала; б — 1 — ВИКИЗ (0,7 м), верхняя шкала, 2 — боковой зонд, 3 — потенциал-зонд (AM= 0,5 м), нижняя шкала; в — 1 — ВИКИЗ (2,0 м), верхняя шкала, 2 — индукционный зонд, нижняя шкала; г — 1- 5 — зонды ВИКИЗ (0,5, 0,7, 1,0, 1,4, 2,0 м соответственно); 6 — ПС.

Рисунок 4.1 -Сравнение электрических и электромагнитных методов каротажа Заключение Метод ВИКИЗ является перспективным современным методом электрического каротажа и он не достиг предела, как в конструктивном решении, так и в вопросах интерпретации данных.

На данный момент существует попластовая программа обработки данных ВИКИЗ, но разработчики приступили к работе над поточечной программой обработки. Также путём усовершенствования скважинного прибора и внесением в конструкцию зонда дополнительных измерителей амплитуд, станет возможным увеличить глубинность исследования, а измерение относительных характеристик позволит расширить методические возможности метода.

Уникальность данного метода заключается в разработке принципиально новых подвижных скважинных устройств — зондов. Все пять зондов размещены в едином корпусе и позволяют измерять относительные характеристики электромагниных полей (разность фаз или амплитуд), также применение подобных зондов и размещение зондовых элементов в соответствии с коэффициентом подобия и использование принципа частотно-геометрического подобия. В данной работе более подробно рассматривается метод «ВИКИЗ», зонды «ВИКИЗ» и их принцип действия, интерпретация диаграмм «ВИКИЗ» и преимущества перед другими методами электрокаротажа.