"Каротажник", выпуск 66, Тверь, 2000г.

Е. А. Кулигин, Р. А. Кучеров, Фирма 'СЭЛКА'

ДВОЙНОЙ (РАЗНОГЛУБИННЫЙ) БОКОВОЙ КАРОТАЖ

 

Введение


Фокусированные зонды разноглубинного бокового каротажа, применяемые в геофизической практике, представляют собой симметричные многоэлектродные зондовые установки большого размера, содержащие системы точечных (например, БКС-2), объемных (Э9) электродов или их сочетания (DLL). В большинстве из них реализуются принципы физической фокусировки поля в радиальной плоскости. Предложены также системы, в которых производится программный синтез каротажных кривых по наборам исходных нефокусированных зондов (поэлементные зонды, предложенные в ЦГЭ). Зонды позволяют выделять в геологическом разрезе скважины пласты-коллекторы, оценивать характер их насыщенности по признаку радиальной неоднородности УЭС пласта при наличии зоны проникновения фильтрата бурового раствора и определять параметры зоны проникновения пласта (Rзп, D/dc] и дальней зоны (Rп).


В аппаратуре разноглубинного бокового каротажа любого типа из-за большого влияния скважины на зонд малой глубинности желательно применять центраторы или отклонители. При каротаже скважин со сложными техническими условиями проведения спуско-подъемных операций (работа через инструмент, в наклонно направленных стволах, плохая проходимость приборов и т. д.) это вызывает определенные сложности.


Кроме того, практически все перечисленные установки формируют слишком большую ширину пучка измерительного тока размером по вертикали 0,3 - 0,6 м, что существенно ограничивает их вертикальную расчленяющую способность в тонкослоистых пластах и при пересечении наклонных границ.


В предложенной зондовой установке 2БК указанные ограничения сняты за счет раздельного измерения восьми азимутальных составляющих узкого по вертикали (5см) фокусированного пучка тока. По физическим основам и основным размерам зондовая установка 2БК имеет много общего с аппаратурой двойного бокового микрокаротажа, рассмотренной нами в [1], что позволяет комплексировать их данные для получения более полных электрических характеристик коллекторов.


Физические основы метода 2БК


За основу установки 2БК взят простой симметричный 5-электродный зонд бокового каротажа с объемными электродами, в котором центральный электрод A0 дополнительно разделен вертикальными изоляторами на восемь равных частей-сегментов (рис. 1). Аналогичная конструкция электрода с 12 сегментами используется в азимутальном электрическом сканере типа ARI (Azimutal Resistivity Imager) фирмы Shlumberger. При свободном (нецентрированном)
положении такого зонда в скважине всегда один из восьми сегментов электрода А0 зонда будет находиться достаточно близко от стенки скважины, что позволяет уверенно использовать показания зондовой установки средней глубинности (БК-С) для исследования зоны проникновения пласта.

 66-1.gif (40152 bytes)

Рис. 1. Основные размеры зондовой установки 2БК

66-2.gif (58222 bytes)

Рис. 2. Система питания зондовой установки БК-М

 

Для уменьшения искажающего влияния зазора между сегментом и стенкой скважины, заполненного промывочной жидкостью или глинистой коркой, применена компенсированная система измерений с использованием дополнительного зонда малой, в пределах скважины, глубинности (БК-М). Этот же зонд обеспечивает учет эксцентриситета зонда БК-Б в скважине и позволяет определять удельное сопротивление промывочной жидкости.

В приборе применен косвенный (поэлементный) метод измерения удельных электрических сопротивлений зондами разноглубинного бокового каротажа. Результирующие значения показаний зондов бокового каротажа большой (БК-Б) и средней (БК-С) глубинности получаются путем обработки на ЭВМ исходных измерений параметров электрических полей, создаваемых зондовой установкой прибора. Применяемые при обработке алгоритмы и коэффициенты основаны на результатах математического моделирования работы зондовой установки в тестовых условиях.
Глубинность зондовых установок 2БК изменяется за счет системы их электропитания, в едином по, времени измерительном цикле.

Система питания вспомогательного зонда минимальной глубинности БК-М и схематичное изображение силовых линий тока в окружающем зонд пространстве показаны на рис. 2. Одноименные парные электроды A1-A1 и A2-А2 электрически закорочены. Между электродами А1 и A2 включен автокомпенсатор АК-2. Назначение автокомпенсатора - обеспечивать равенство потенциалов между его двумя выводами: U1 = U2. Это условие выполняется за счет регулировки в АК-2 уровня втекающих/вытекающих переменных токов (по направлению, указанному стрелками). Равенство потенциалов между всеми сегментами центрального электрода A0 обеспечивается пассивно, за счет шунтов низкого сопротивления (0,1 Ом).

Переменный ток питания Jr = 200 мА частотой 200 Гц поступает по цепи каротажного кабеля на центральный секционированный электрод A0 и стекает с восьми его сегментов на поверхность электродов А1, как показано линиями на рис. 2. При указанной системе фокусировки силовые линии тока J0i (i=1..8) распределены в непосредственной близости от поверхности зонда, в основном, в скважине и глинистой корке на ее стенке.


Измеряемыми параметрами являются разность потенциалов между электродами А0 и А1(UM) и токи восьми сегментов (J0i).


Значения исходных восьми составляющих удельного сопротивления, измеренных зондом БК-М, определяются по формуле
Rmi=Km*Um/J0i,
где Km = 0,0520 м - геометрический фактор (коэффициент зонда).

Назначение зонда БК-М - вспомогательное. Измеренные им значения Rmi - отражают позиционное положение прибора относительно стенок скважины, т. е. его эксцентриситет. Эта информация позволяет вводить поправки в показания зондов БК-С и БК-Б за влияние скважины. Данные БК-М позволяют также определять удельное сопротивление промывочной жидкости в скважине.

Система питания зонда средней глубинности БК-С и схематичное изображение силовых линий тока в окружающем зонд пространстве показаны на рис. 3.

66-3.gif (52463 bytes)

 

Рис. 3. Система питания зондовой установки БК-С


Одноименные парные электроды А1-А1 и A2-A2 электрически закорочены. Между электродами A0 и А1 включен автокомпенсатор АК-1. Назначение автокомпенсатора - обеспечивать равенство потенциалов между его двумя выводами: U0 = U1. Это условие выполняется за счет регулировки в АК-1 уровня втекающих/вытекающих токов (по направлению, указанному стрелками). Равенство потенциалов между всеми сегментами центрального электрода А0 обеспечивается пассивно, за счет шунтов низкого сопротивления (0,1 Ом).

66-4.gif (57920 bytes)

Рис. 3. Система питания зондовой установки БК-Б

Переменный ток питания Jr = 200 мА частотой 200 Гц поступает по цепи каротажного кабеля на электроды A1 и стекает с них на поверхность электродов А2, как показано линиями на рис. 3. При указанной системе фокусировки силовые линии тока Jr распределены в ближней зоне от поверхности зонда, в основном, в скважине и глинистой корке на ее стенке. Часть тока питания через АК-1 поступает на сегменты центрального электрода А0 и далее стекает с них через ближнюю зону пласта на электроды A2, как показано линиями на рис. 3.

Измеряемыми параметрами являются разность потенциалов между электродами A1 и удаленным электродом Ny на косе (Uc) и токи 8 сегментов (J0i).
Значения исходных восьми составляющих удельного сопротивления, измеренных зондом БК-С, определяются по формуле

Rci=Kc*Uc/J0i,


где Kc = 0,0228 м - геометрический фактор (коэффициент зонда).

Назначение зонда БК-С - измерение электрических параметров ближней зоны пласта (зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости в пласт). Обработка исходных данных БК-С производится совместно с данными БК-М, что позволяет учитывать влияние скважины на результаты измерений.
Система питания зонда большой глубинности БК-Б и схематичное изображение силовых линий тока в окружающем зонд пространстве показаны на рис. 4.

Одноименные парные электроды A1-A1 и А2-А2 электрически закорочены. Между электродами A0 и А 1 включен автокомпенсатор АК-1, а между A1 и A2 - автокомпенсатор АК-2. Назначение автокомпенсаторов - обеспечивать равенство потенциалов между их выводами: U0 = U1 = U2. Это условие выполняется за счет регулировки в АК-1 и АК-2 уровней втекающих/вытекающих токов (по направлениям, указанным стрелками). Равенство потенциалов между всеми сегментами центрального электрода А0 обеспечивается пассивно, за счет шунтов низкого сопротивления (0,1 Ом). В данной конфигурации зондовая установка А2-А1 -А0-А1-А2 имеет эквипотенциальные поверхности всех электродов.
Переменный ток питания Jr = 200мА частотой 200 Гц поступает по цепи каротажного кабеля на экранные электроды А2. Часть тока питания через АК-2 поступает на экранные электроды А1 (условие U1 = U2). Часть указанного тока, в свою очередь, через АК-1 поступает на электрод A0 (уcловие U0 = UI) и стекает с восьми его установки БК-Б сегментов в удаленную зону пласта, как показано линиями на рис. 4. Измеряемыми параметрами являются разность потенциалов между электродами A1 и удаленным электродом Ny на косе (Us) и токи восьми сегментов (J0i).
Значения исходных восьми составляющих удельного сопротивления, измеренных зондом БК-Б, определяются по формуле


Rsi = Ks* Us /J0i,    (3)


где Ks = 0,01187 м - геометрический фактор (коэффициент зонда).

Назначение зонда БК-Б - измерение электрических параметров удаленной зоны пласта. Обработка исходных данных БК-Б производится совместно с данными БК-М, что позволяет учитывать влияние скважины на результаты измерений.

Результаты математического моделирования


При разработке зонда 2БК стояла задача создать простую конструкцию, не превышающую по габаритам приборы электрокаротажа типа Э1, КЗ-741 и др., чтобы обеспечить ее применение в скважинах кустового бурения, при спуске через инструмент с проходным диаметром от 89 мм.

Для выбора оптимальных параметров зондовой установки 2БК и создания методического обеспечения аппаратуры разработаны алгоритмы и выполнен большой объем математического моделирования методом интегральных уравнений [3]. Решение прямой задачи электрического каротажа для предложенных зондов 2БК. с секционированным центральным электродом оказалось значительно сложнее, чем для обычных зондов БК, по следующим причинам:

  • надо учитывать вращение зонда, расположенного в скважине эксцентрично;
  • надо учитывать изоляционные промежутки между электродами, так как размеры электродов и изоляционных промежутков соизмеримы.


Для обеспечения необходимой точности вычислений пришлось делить поверхность зонда по окружности на 32 равные части и выполнять моделирование зондов при двух положениях относительно стенки скважины:

  • электрод на стенке скважины;
  • изолятор на стенке скважины.

По данным математического моделирования получены необходимые палетки и расчетные зависимости, характеризующие свойства зондов БК-С и БК-Б.

66-5.gif (57474 bytes)

Рис. 5. Сравнение глубинности зондовых установок БК-С и БК-Б аппаратуры Э49С

На рис. 5 приведены зависимости псевдогеометрического фактора (j) зондов БК-Б и БК-С от диаметра зоны проникновения (D), характеризующие их радиальную глубинность. Для сравнения пунктиром приведена также аналогичная характеристика для зонда ДБМК [1], подтверждающая целесообразность комплексирования этих методов. Радиальная глубинность зонда БК-Б составляет не менее 0,70 м, зонда БК-С - не более 0,25 м, а зонда ДБМК - не более 0,10 м (на уровне 0,5 псевдогеометрического фактора).


Скважинный прибор Э49С


Предложенный метод 2БК реализован в приборе двойного бокового каротажа Э49С. Прибор работает совместно с цифровыми каротажными станциями, укомплектованными блоком электрического каротажа Б41С. Связь с компьютерным оборудованием осуществляется через стандартный последовательный порт RS-232. В качестве линии связи служит бронированный одно/трехжильный каротажный кабель длиной до 5000 м. Максимальная рабочая температура - 150/175 °С, гидростатическое давление - до 100/120 МПа.

Допускается спуск прибора в скважину через инструмент с минимальным проходным диаметром 89 мм. Длина прибора без косы - 3,4 м.

Диапазон измерения кажущихся УЭС горных пород составляет от 0,5 до 2000 Ом*м, сопротивления бурового раствора - от 0,1 до 10 Ом*м.

Конструкция прибора и электрическая схема унифицированы с приборами серии Э40 (прибор электрического каротажа Э41С и прибор двойного бокового микрокаротажа Э42С).

Для калибровки измерительных каналов прибора не требуется собирать сложные эквивалентные схемы замещения зондовых установок, т. к. они смонтированы в электронном блоке прибора, а необходимую коммутацию производят токовые ключи и автокомпенсаторы, которые обеспечивают питание зондовых установок без спуска прибора в электропроводящую жидкость. Требуется один магазин сопротивлений класса точности 0,5%.

Максимально допустимые скорости каротажа составляют 3000 м/ч (при шаге квантования 20 см), 1500 м/ч (при шаге 10 см), 750 м/ч (при шаге 5 см), 300 м/ч (при шаге 2 см).


Программно - методическое обеспечение


Для первичной обработки (редактирования) исходных данных 2БК, зарегистрированных прибором Э49С, разработано программное обеспечение редактирования и визуализации для среды Win 95 и выше.

К стандартным этапам обработки, применяемым при обработке многих видов цифровых каротажных данных, относятся составление заявки на обработку: чтение данных полевого файла; привязка зарегистрированных данных к глубинам по магнитным меткамкам; корректировка показаний информационных каналов по стандарт-сигналам, учет данных эталонировки, масштабирование измеренных параметров.

В зависимости от заданного в заявке варианта обработки могут выполняться следующие операции: анализ вращения прибора в скважине и выбор каналов БК-М, БК-С и БК-Б; расчет удельного сопротивления промывочной жидкости в скважине; фильтрация измеренных параметров; расчет исправленных за влияние скважины па метров БК-С и БК-Б.

В процессе выполнения программы создается файл специальной структуры. В этот файл записываются параметры, рассчитанные в процессе обработки, одновременно они записываются в базу данных.

Разработанная программа визуализации позволяет отображать исходные данные и рассчитанные параметры в виде каротажных кривых. Данные визуализируются на экране дисплея, а для передачи заказчику выводятся на цветном принтере.
Исходные данные и/или результаты обработки передаются в другие обрабатывающие комплексы посредством обмена через LAS формат.
В состав эксплуатационной документации прибора Э49С входят и обычные палетки, позволяющие производить ручную обработку данных 2БК.


Результаты опробования


На рис. 6 приведен фрагмент исходной (без редактирования) каротажной диаграммы 2БК, иллюстрирующий вертикальную разрешающую способность метода. Для детального анализа цифровая запись выполнена с шагом по глубине 1 см, диаграмма выведена в масштабе глубин 1/20.

Измерение выполнено в электролитической модели анизотропного пласта высокого сопротивления. Модель расположена на глубине 281 м в контрольно-поверочной скважине ("Кубаньгазгеосфизика"). Основа модели - обсадная асбестоцементная труба диаметром 140/168 мм, окруженная песчано-глинистым материалом с пресной пластовой водой. Труба заполнена водой сопротивлением 2,4 Ом*м. Стенка трубы толщиной 14 мм моделирует промытую зону пласта сопротивлением 12 - 20 Ом-м. На внешней стенке трубы длиной 4 м намотана изолента. В интервале 281,6 - 283,0 м изолента намотана сплошным слоем и моделирует тонкий пласт (1,4 м) бесконечного сопротивления.

66-6.gif (222040 bytes)

Рис. 6. Исходные каротажные кривые 2БК, полученные в электролитической модели (масштаб глубин - 1:20)

В интервале 283,0 - 285,4 м изолента шириной 15 см намотана с шагом 30 см. Теоретически такая модель высокого сопротивления обеспечивает при замерах обычными зондами БК интегрального типа, не имеющими азимутальной направленности, равный уровень сопротивления на всем протяжении модели. Это подтверждается записями в интервале приборами типа Э1 (уровень сопротивления - 25 - 350 Ом*м).

На исходных диаграммах (рис. 6) БК-С и БК-Б метода 2БК картина принципиально меняется: каждый из восьми сегментов направленно реагирует на чередование изолированных и открытых интервалов на внешней поверхности асбестоцементной трубы. Угол спиральной намотки изоленты достаточно четко определяется по смещению глубины максимумов и минимумов восьми исходных каротажных кривых. Таким образом, чередование контрастных по сопротивлению слоев мощностью не более 15 см довольно четко отмечается на всех исходных диаграммах, что свидетельствует о достигнутой высокой разрешающей способности метода 2БК.

Скважинные испытания аппаратуры 2БК и отработка технологии исследований выполнены на оборудовании и с участием специалистов ОАО "Юганскнефтегеофизика". В качестве наземного оборудования применялась каротажная станция "ЮГРА".

На рис. 7 приведен фрагмент исходной каротажной диаграммы 2БК, записанной прибором Э49С в скв. 6857 куст 232 на месторождении Приразломное. Параметры скважины: диаметр долота - 214 мм, забой - 2790 м, башмак инструмента - 2480 м. Спуск прибора Э49С проводился через инструмент с проходным диаметром 89 мм.

Приведенный интервал представляет собой сложно построенный нефтенасыщенный пласт БС4, интерпретация ГИС стандартного комплекса по которому затруднена. В нем отмечается микро-переслаивание нефтенасыщенных песчаников, алевролитов и аргиллитов в разных сочетаниях, с толщинами прослоев от 5 - 10 см. Массивные песчаники-коллекторы имеют рассеянную глинистость и карбонатность. Использование данных двух зондов 2БК средней и большой глубинности, имеющих высокую вертикальную разрешающую способность, позволяет с большой уверенностью выделять границы геологических разностей, выделять в разрезе коллекторы с различным типом и составом цемента.

66-7.gif (208159 bytes)

Рис. 7. Фрагмент исходной каротажной диаграммы 2БК в нефтенасыщенном коллекторе


На рис. 8 приведено сопоставление диаграмм 2БК с комплексом ГИС по скв. 7966 Малый Балык. На первой дорожке диаграммы показана кривая ПС, на второй - кривые потенциал-зондаNI1MO,5A (тонкая линия) и индукционного каротажа, на третьей - большие зонды БКЗ: A4MO,5N (тонкая линия) и A8M1N. Переходная зона от нефтенасыщенного коллектора к водонасыщенному определена по комплексной интерпретации ГИС в интервале 2235 -2241 м. Показания больших зондов БКЗ в интервале водонефтяно-го контакта существенно искажены экранными эффектами от тонкого высокоомного прослоя (2235 м) Использование данных 2БК позволяет провести более точное геологическое расчленение разреза и уточнить эффективные мощности коллекторов (мощности плотных и глинистых прослоев среди коллекторов по стандартному комплексу ГИС, как правило, завышаются).

66-8.gif (208140 bytes)

Рис. 8. Сопоставление диаграмм 2БК с комплексом ГИС по скв. 7966 Малый Балык (пласт AC4)

Таким образом, метод 2БК позволяет детально выделять в геологическом разрезе скважин интервалы пластов-коллекторов, оценивать параметры зоны проникновения пласта, определять эффективные мощности коллекторов в тонкослоистых разрезах.

  "Каротажник", выпуск 66, Тверь, 2000г.