"Геофизика", 1.2006

Кулигин Е.А. (ООО "Фирма"СЭЛКА", Краснодар, Россия) Шнурман Г.А. (КубГУ, Краснодар, Россия) Науменко-Брайловская А.А. (КубГУ, Краснодар, Россия)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СКАНИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ БОКОВОГО И МИКРОБОКОВОГО КАРОТАЖА ПРИ ИЗУЧЕНИИ РАЗРЕЗОВ БУРЯЩИХСЯ СКВАЖИН

 


В последние годы при изучении разрезов бурящихся нефтяных и газовых скважин широкое применение получила сканирующая аппаратура бокового Э49ХС и микробокового Э42ХС каротажа, разработанная в фирме ООО "Фирма"СЭЛКА", г. Краснодар (разработчик Е.А.Кулигин). Приборы Э42ХС и Э49ХС являются новым поколением аппаратуры электрического каротажа и позволяют получить на порядок больше исходной информации. Сканирующая аппаратура обеспечивает измерение 8 азимутально-направленных значений удельного электрического сопротивления горных пород с большой радиальной глубинностью (1.4 м) и с высокой вертикальной разрешающей способностью (0.1м). Заpубежным аналогом аппаратуры является прибор ARI (Azimutal Resistivity Imager) фирмы Schlumberger.

Прибор Э49ХС предназначен для проведения геофизических исследований методом двойного (разноглубинного) бокового каротажа и представляет собой усовершенствованную систему многоэлектродного зонда БК с объемными электродами, обеспечивающую измерения тремя зондами: большой, средней и малой глубинности [1].

Прибор Э42ХС служит для измерения удельных сопротивлений прискважинной зоны (промытой зоны коллекторов) и содержит два зонда микробокового каротажа средней и малой глубинности.

Основной отличительной особенностью зондов сканирующей аппаратуры является то, что цилиндрическая поверхность центрального электрода А0 разделена вертикальными изоляторами на 8 равных частей-сегментов, что обеспечивает регистрацию восьми азимутально-направленных кривых бокового и микробокового каротажей (рис.1). На рисунке в плане показана схема расположения сегментарных электродов прибора в скважине. Центральный электрод зонда разделен на 8 (1-8) сегментов. Непосредственно к стенке скважины располагается изоляционный раздел между 4 и 5 сегментами. При такой симметрии зонда в азимутально-электрически-однородной среде сегментарные электроды попарно (1 и 8), (2 и 7), (3 и 6), (4 и 5) регистрируют одинаковые сопротивления. Под зазором r понимается расстояние раздела между 4 и 5 электродами и стенкой скважины.

В сканирующей аппаратуре бокового и микробокового каротажа отсутствуют выносные механизмы (центраторы или отклонители) и прижимные устройства, что при малых габаритах (диаметр приборов не более 80 мм) существенно расширяет область их применения в скважинах малого диаметра, в наклонно-направленных скважинах кустового бурения, при работе через буровой инструмент с проходным диаметром более 89 мм и при плохой проходимости приборов.


где К - коэффициент зондовой установки.

В целом, область применения, технические характеристики, метрологические параметры и принципы измерения сканирующей аппаратуры Э49ХС и Э42ХС очень схожи. Приборы работают совместно с цифровыми каротажными информационно-измерительными комплексами "КАРАТ-П", "КЕДР", модернизированным 64-канальным блоком электрического каротажа типа Б41ХС и др. Связь аппаратуры с наземным оборудованием производится через встроенный адаптер цифровой телеметрии "Манчестер-2" 20 кбит/с. В качестве линии связи с наземным оборудованием служит бронированный трехжильный каротажный кабель длиной не более 4500 м. Максимальная глубина исследуемых скважин 4000 м, температура 125 С, гидростатическое давление 80 МПа. Диаметр ствола скважин - 120-250 мм. Удельное электрическое сопротивление промывочной жидкости в скважине, при котором обеспечивается работоспособность прибора, составляет от 0,02 до 20 Омм.

В сканирующей аппаратуре применен косвенный (поэлементный) метод измерения удельных электрических сопротивлений зондами разноглубинного бокового и микробокового каротажей, принцип временного разделения для исключения взаимного влияния электрических полей зондовых установок. Каждый цикл измерения длительностью 162,5 млс (Э49ХС) и 325 млс (Э42ХС) включает преобразование с временным разделением и передачу по кабелю 64 информационных каналов.

Измерительные циклы прибора Э49ХС повторяются с частотой 6 Гц, что определяет максимальную скорость каротажа: 4000 м/ч (при шаге квантования 20 см), 2000 м/ч (при шаге квантования 10 см), 1000 м/ч (при шаге квантования 5 см), 400 м/ч (при шаге квантования 2 см).


Измерительные циклы прибора Э42ХС повторяются с частотой 3 Гц, что определяет максимальную скорость каротажа: 2000 м/ч (при шаге квантования по глубине 20 см), 1000 м/ч (при шаге 10 см), 500 м/ч (при шаге 5 см), 200 м/ч (при шаге 2 см). При детальных исследованиях разрезов рекомендуется устанавливать шаг дискретизации по глубине 5 см.

В результате редактирования и предварительной обработки программным обеспечением токи восьми электродов I_(1..8) и их потенциал U для всех зондовых установок аппаратуры Э49ХС и Э42ХС преобразуются в физические величины - кажущиеся удельные сопротивления рк_(1..8), измеренные каждым сегментарным электродом с использованием выражения


Таким образом, для прибора Э49ХС вычисляются 24 значения кажущихся сопротивлений (по 8 для малого, среднего и большого зондов), а для прибора Э42ХС - 16 значений кажущихся сопротивлений (по 8 для малого и среднего зондов).

Полученные значения кажущихся сопротивлений являются исходными для дальнейшей интерпретации и позволяют определить ряд важных параметров.

Прибор Э49ХС:
  • удельное сопротивление пород, измеренное средним и большим зондом БК (p_bks и p_bkb);
  • зазоры между ближайшим к скважине электродом и ее стенкой для среднего и большого зондов ( rs, rb);
  • развертку изображения скважины по удельному сопротивлению, для среднего и большого зондов;
  • удельное сопротивление промывочной жидкости (pc).
    Прибор Э42ХС:
  • удельное сопротивление пород, прилегающих к стенке скважины (сопротивление промытой зоны p_bmk или pпп);
  • удельное сопротивление промывочной жидкости ( с).

При определении удельных сопротивлений по результатам измерений прибором Э49ХС используется два алгоритмических подхода. В первом из них рассчитывается удельное сопротивление по среднему току:

которое представляет собой среднегармоническое удельное сопротивление, измеренное на всех сегментарных электродах, и является аналогом удельного сопротивления обычного трехэлектродного зонда бокового каротажа с объемными электродами. В полученное указанным способом удельное сопротивление необходимо ввести поправки за влияние скважины. На основе теоретических исследований рассчитаны палетки поправок, которые включены в программы обработки. Программой предусматривается возможность определения удельного сопротивления по среднему и большому зондам как с поправкой (p_bks_ds, р_bkb_ds), так и без поправки (p_bks, р_bkb) за скважину.

Во втором подходе удельное сопротивление определяется по палеткам, полученным в результате теоретических расчетов. На основе решения прямой задачи электрометрии для зондов бокового каротажа рассчитаны значения к/ с, измеряемые сегментарными электродами в двухслойной среде (скважина-пласт) в зависимости от п/ с, диаметра скважины dс и зазора Z между стенкой скважины и ближайшим к ней электродом. По данным теоретических расчетов построены палетки
где к_bmax, к_smax, к_mmax - максимальные значения измеренных удельных сопротивлений большим средним и малым зондом; к_bmin, к_smin, к_mmin - минимальные значения измеренных удельных сопротивлений большим, средним и малым зондом.

На палетках нанесены кривые с рп/рс = const и r = const, что обеспечивает определение удельного сопротивления и эксцентриситета (зазора) прибора (рис.2). Например, если pк_bmax составляет 25 Омм, а pк_mmin - 0,5, их отношение составит 50, а pк_mmax - 7 и pк_bmin - 11, их отношение составит 0,6 (т. А на рис.2). Этой точке на палетке соответствуют отношение рп/рс 28 и зазор 5 мм.

Развертка скважины по удельному сопротивлению сегментарных электродов среднего и большого зондов прибора Э49ХС является результатом приведения их показаний к единым условиям посредством учета влияния скважины на удельное сопротивление каждого электрода. Преобразование удельных сопротивлений проводится путем привлечения данных малого зонда с использованием выражения


где m - степень, Ii - ток i-го электрода большого (среднего) зонда БК, Imi - ток i-го электрода малого зонда БК [2].

Получаемое развернутое изображение скважины по удельному сопротивлению открывает дополнительные возможности при изучении азимутальной анизотропии горных пород, выделении вертикальных трещин и выявлении наклона пластов.

При определении удельного сопротивления прискважинной зоны по результатам измерений прибором Э42ХС также используется два подхода.

В первом из них кривая _bmk синтезируется из максимальных значений восьми измеренных сопротивлений, поскольку эти значения являются признаком наилучшего прилегания сегмента центрального электрода к стенке скважины. Однако с увеличением зазора между сегментом и скважиной полученные значения удельных сопротивлений будут занижаться. Положение прибора по отношению к стенке скважины контролируется по показаниям малого зонда.

Во втором подходе удельное сопротивление рпп находится по теоретической палетке, аналогичной рис.2.

На рис.3а приведены интегральные радиальные характеристики зондов аппаратуры Э49ХС и Э42ХС. Как видно, диаметр исследований на уровне 0,5 псевдогеометрического фактора составляет 1,4 м для зонда BKB, 0,48 м - для зонда BKS и около 0,3 м для зонда BMK. Такие характеристики зондов обеспечивают эффективное выделение коллекторов по радиальному изменению удельных сопротивлений за счет проникновения в них промывочной жидкости.

Представление о вертикальной характеристике большого зонда БК прибора Э49ХС можно получить из рис.3б, на котором в сравнении со стандартным зондом 3-х электродного бокового каротажа приведены теоретические профили кажущихся удельных сопротивлений для пласта толщиной 1 м и удельным сопротивлением 100 Омм. Как видно, кривая pbkb характеризуется повышенной крутизной и лучшей расчленяющей способностью в тонких пластах.

Теоретические расчеты кажущихся удельных сопротивлений большого и среднего зонда аппаратуры Э49ХС в пласте с горизонтальной и вертикальной трещинами позволили выявить следующие закономерности. Горизонтальная трещина отмечается аномалией низкого сопротивления толщиной 0,1-0,15 м, причем контраст сопротивлений увеличивается с ростом отношения рбл/рт и раскрытости трещины, что позволяет проводить приближенную оценку раскрытости трещин. Вертикальная трещина проявляется достаточно устойчивым характерным образом. На электроде, пересекающем трещину наблюдается резкий скачек удельных сопротивлений в сторону низких значений. На соседних с ним электродах, наоборот, удельные сопротивления несколько увеличиваются. В результате против трещины возникают устойчивые площадки высоких и низких сопротивлений и характерная конфигурация кривых. На развертке скважины по удельному сопротивлению такие трещины обычно выделяются светлыми пятнами, свидетельствующими о наличии в породе азимутальной неоднородности низкого сопротивления.

Сканирующие приборы бокового и микробокового каротажа могут быть использованы для приближенного определения углов падения пластов по расхождению на их границах глубин, зарегистрированных различными сегментарными электродами. Однако, для получения приемлемых результатов при углах падения пластов до 5 шаг дискретизации измерений по глубине не должен превышать 1 см. На развертке скважины по удельному сопротивлению углы падения пластов отмечаются криволинейными границами.

Таким образом, основными преимуществами сканирующей аппаратуры бокового и микробокового каротажей являются:

  • азимутальная направленность измерений, позволяющая выявлять азимутальную неоднородность пород по удельному сопротивлению и на этой основе проводить приближенные оценки углов падения пластов, выделять вертикальные трещины, определять зазоры между скважиной и прибором и следить за характером движения (вращения) приборов в скважине;
  • наличие трех зондов бокового и микробокового каротажа с различной глубиной исследования обеспечивает эффективное выделение коллекторов по радиальному изменению удельных сопротивлений;
  • высокая вертикальная расчленяющая способность зондов позволяет выделять тонкие пласты (0,05-0,1 м) и трещины, насыщенные проводящей жидкостью.

Сканирующая аппаратура бокового и микробокового каротажа нашла широкое применение во многих регионах России при изучении терригенных и карбонатных разрезов в бурящихся скважинах. Значительный объем исследований выполнен в Татарстане, Волгоградском Поволжье и в Краснодарском крае.

Эффективность сканирующей аппаратуры при изучении карбонатных разрезов рассмотрим на примере одной из горизонтальных скважин Татарстана, пробуренной на верхнетурнейские отложения. По данным интерпретации комплекса ГИС карбонатные породы верхнетурнейского подъяруса продуктивны, пористость пород изменяется от 8 до 12%, нефтегазонасыщенность составляет 70-75%. Тип коллектора - трещинно-каверново-поровый. В скважине проведены исследования прибором Э42ХС с шагом дискретизации по глубине 0,02 м.

Диаграмма p_bmk, зарегистрированная прибором Э42ХС, достаточно дифференцирована и характеризуется высокими сопротивлениями. Характер кривых указывает на латеральную электрическую неоднородность пород. В горизонтальной скважине вертикальные и крутонаклонные трещины отмечаются тонкими (0,1-0,15 м) пиками низкого сопротивления, прослеживающимися как на кривых рк сегментарных электродов, так и на результирующей кривой p_bmk (рис.4, 1530,19-1530,22 м). Толщина аномалий сопротивлений в вертикальных трещинах составляет 0,05-0,15 м при среднем значении 0,08 м и их раскрытость изменяется от 0,05 до 0,6 мм, при этом преобладает раскрытость до 0,3 мм.

Закономерное и характерное различие кривых КС сегментарных электродов, а также светлые пятна на развернутом изображении скважины, наблюдаемые в ряде интервалов изучаемого разреза, являются признаками азимутальной электрической неоднородности пород и в частности наличия трещин, секущих скважину параллельно стволу (горизонтальных для горизонтальных скважин). В соответствии с этим на рисунке 4 (1585,95-1586,3) приведен пример выделения горизонтальной трещины и определена ее протяженность, которая составляет 0,35 м.

В интервале 1471-1475 м (рис.4) на кривых кажущихся сопротивлений, зарегистрированных сегментарными электродами, прослеживается смещение границ прослоев по глубине, что позволяет приближенно определить углы их падения. В местах сдвига кривых по глубинам определено максимальное расхождение глубин на всех 8 кривых и с учетом диаметра скважины рассчитаны углы наклона пластов по отношению к стволу скважины, которые составляют 15-20 .

Эффективность сканирующей аппаратуры Э49ХС и Э42ХС при изучении терригенных разрезов рассмотрим на примере чокракских отложений Западно-Кубанского прогиба. Основными особенностями чокракских отложений, определяющими их геофизическую характеристику, являются: преобладание в разрезе глинистых пород; малые толщины коллекторов (преимущественно менее 1 м) и их переслаивание с глинами и уплотненными прослоями; преобладание коллекторов с повышенным содержанием глинистого материала и нередко тонкослоистых глинистых коллекторов; относительно низкая минерализация пластовых вод (13 - 15 г/л), близкая к минерализации промывочной жидкости; приуроченность залежей углеводородов к зонам с аномально высоким пластовым давлением и, как следствие, разуплотненность пород, высокая пористость коллекторов (20-30 %) и глин (20-25 %).

В таких условиях особое значение имеет выделение тонких продуктивных коллекторов и точное определение их толщин, а также разделение коллекторов и уплотненных пород. Использование высокоразрешающих по вертикали разноглубинных зондов сканирующей аппаратуры и детальной дискретизации измерений по глубине обеспечивает достаточно надежное решение указанных задач. Выделение коллекторов проводится по радиальному изменению сопротивлений и наличию глинистой корки (зазоров), а оценка характера их насыщения по значению удельных сопротивлений [3, 4].

На рисунке 2 представлена теоретическая палетка для большого зонда прибора Э49ХС с результатами поточечной и попластовой обработки материалов, зарегистрированных этим зондом в чокракских отложениях. Как видно, исследуемые породы четко дифференцируются на три группы.

" Перспективные коллекторы с увеличенными, за счет образования глинистой корки, зазорами и удельными сопротивлениями, превышающими 1,3 Омм (рп/рс>3,7).

" Уплотненные прослои с незначительными зазорами (1-3 мм) и повышенными, более 2-3 Омм, удельными сопротивлениями (рп/рс>4-5).

" Глины, для которых, вследствие неравномерного кавернообразования, характерен большой диапазон зазоров (от 0 до 28 мм) и низкие сопротивления. В эту область попадают и водонасыщенные коллекторы, однако, им соответствуют увеличенные зазоры.

Таким образом, материалы большого зонда Э49ХС позволяют выделить перспективные участки разреза для дальнейшего комплексного анализа.

Совместная интерпретация материалов, зарегистрированных приборами Э49ХС и Э42ХС в условиях чокракских отложений позволяет уверенно разделить продуктивные , водонасыщенные и плотные породы. В плотных пластах p_bmk=p_bkb, в плотных тонких прослоях, как правило, p_bmk>p_bkb, что связано с занижающим влиянием вмещающих пород низкого сопротивления на показания большого зонда Э49ХС. Таким образом, высокие значения сопротивлений p_bmk > 15-20 Ом?м и превышение p_bmk над p_bkb являются надежным признаком для разделения тонких плотных и нефтегазонасыщенных прослоев. Так, на рис. 5 приведен пример выделения плотных и нефтегазонасыщенных прослоев по диаграммам Э42ХС и Э49ХС в одной из скважин, пробуренной на чокракские коллекторы. Нефтегазонасыщенные прослои, залегающие в интервалах 2841,65 - 2842,05; 2843 - 2843,6; 2844,1 - 2845,9 м, характеризуются понижающим проникновением, и в них p_bmk рbkb, что характерно для водонасыщенных пород. Успешному разделению плотных, нефтегазонасыщенных и водонасыщенных прослоев и точному определению их границ способствуют высокая расчленяющая способность зондов BKB (Э49ХС) и BMKS (Э42ХС) и запись диаграмм в масштабе глубин 1 : 50.

Таким образом, сканирующая аппаратура бокового Э49ХС и микробокового Э42ХС каротажей и разработанное программно-методическое обеспечение в комплексе являются новой высокоэффективной технологией изучения разрезов бурящихся скважин.

    

Список литературы.

1. Кулигин Е.А., Кучеров Р.А., Фирма "СЭЛКА". Двойной боковой каротаж. "Каротажник", выпуск 66, Тверь, 2000 г.

2. Кулигин Е.А., Кучеров Р.А., Кочетков С.В. Принципы обработки данных азимутального электрического сканера для получения развернутого ориентированного цветного изображения разрезов скважин. Тезисы докладов международного симпозиума, Уфа, 1999 г.

3. Шнурман И.Г., Шнурман Г.А. Результаты опробования азимутального электрического сканера и прибора двойного бокового микрокаротажа в миоценовых отложениях Краснодарского края (статья).. Научно-техн. вестник "Каротажник", вып.72, 2000.

4. Шнурман Г.А., Кулигин Е.А., Науменко-Брайловская А.А. Эффективность сканирующей аппаратуры бокового каротажа для выделения и оценки нефтегазонасыщенных терригенных коллекторов. Экологический вестник. КубГУ.

 "Геофизика", 1.2006