CC BY
159
УДК 537 Ю.Н. Антонов
ИНГГ СО РАН, Новосибирск
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗОПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ИЗ СКВАЖИН
Новый способ высокочастотного электромагнитного каротажного изопараметрического зондирования (ВЭМКИЗ) использует асинхронные гармонические частоты и зонды, состоящие из двух индукторов [1]. Назначение ВЭМКИЗ совпадает с задачами высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ). Преимущества способа ВЭМКИЗ заключаются в большей информации о свойствах коллекторов. Численным моделированием показаны ожидаемые преимущества нового способа зондирования.
Yu.N. Antonov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)
Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
ELECTROMAGANETIC IZOPARAMETRIC SONDINGENSING FROM WELLS
The new way of high frequency electromagnetic logging izoparametric soundings (VEMKIZ) uses asynchronous harmonic frequencies and probes, consisting of two induction heaters [1]. Appointment of VEMKIZ coincides with the objectives of high frequency induction logging izoparametric soundings (VIKIZ). Advantages of how VEMKIZ is more information about the properties of the reservoir. Numerical modeling shows the expected benefits new way of soundings.
В настоящее время существуют различные аппаратурно-методические решения на основе индукционного зондирования, отличающихся количеством и длинами зондов, работающих на различных частотах. Одной из успешных реализаций является метод высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) [2, 3], нашедший широкое применение в практике геофизических исследований нефтегазовых скважин [3]. Однако, в методе ВИКИЗ количество измеряемых характеристик поля сопоставимо с количеством неизвестных параметров, возникающих при бурении пласта-коллектора. В таких условиях создается неоднозначность в определении его емкостных свойств.
Развитие индукционного зондирования основано на принципах подобия зондовых систем и увеличения измеряемых характеристик электромагнитного поля. Такое сочетание позволяет "уплотнить" сигналы в направлении от скважины вглубь пласта с детальным отображением неоднородностей.
Метод ВЭМКИЗ позволяет получить в три-четыре раза больший объем информации, чем метод ВИКИЗ, и от большего объема среды.
Способ ВЭМКИЗ содержит девять зондов разной длины с двумя индукторами. Все генераторные индукторы работают на частоте,
отличающейся от частоты смежных зондов. Между измерительными индукторами смежных зондов измеряют разность фаз, что обеспечивает фокусировку откликов от среды.
Теория ВЭМКИЗ определяется известными решениями для методов электромагнитного каротажа в квазистационарном приближении [4, 5, 6].
Обоснование ВЭМКИЗ. Комплекс ВЭМКИЗ основан на соблюдении постоянства следующего произведения или электродинамического изопараметра:
Д, In’. =L„lw„ = ...=L. „ w. „ =L. w. = const.
lJ 1 2\ 2 i-lJ i-l iJ i
Здесь L <L < ...< L. < L. - последовательность длин зондов по мере
л. £ t — л. t
их увеличения; w^>w^>... >w. > w. - последовательность частоты
гармонических колебаний по мере их уменьшения.
Принято называть зонды смежными в порядке увеличения их цифрового индекса.
В соответствии с равенствами (6), отношения длин и отношения частот смежных зондов являются величинами постоянными для всего зондового комплекса ВЭМКИЗ:
А /L. <L.!L_ < < L. .1L'
12 23 i-\ i
а)л / СО- > СО- / СО- > ... > СО. л /со. - .
1 Z Z / ж. I Z
Длины зондов и частоты определяются численным моделированием разрешающей способности и чувствительности к параметрам неоднородной среды.
Комплекс ВЭМКИЗ имеет два варианта зондирования.
Первым вариантом измеряют разности фаз на высокой частоте ft):
* т Щ » t * t о),
Ф\_2 ~ Ф\ ^2 3 ^2 ^3 ^(8-9) — % ^9 •
(У2 6У9
Вторым вариантом измеряют разности фаз на низкой частоте (I):
л i ^2 л 'l' ^3 л ^ ^9
2 = —<Pl -<Рг ~ А^2 3 = — <Pl -<Ръ - А^(8-9) =—<Р% -<Р9 ■
- Щ ~ со2 со%
Два варианта зондирования различаются пространственными
характеристиками относительно геоэлектрического разреза. Первый -обеспечивает повышенную разрешающую способность пространственного зондирования среды, а второй - большую глубинность исследования среды.
Модели однородной изотропной среды. Зондовая система ВЭМКИЗ включает часть зондов, характеристики которых аналогичны зондам ВИКИЗ по длине и частоте: 0,5 м - 14 МГц, 1 м - 7 МГц и 2 м - 0,875 МГц. Отметим, что системой ВЭМКИЗ можно измерять 16 характеристик: 8
"высокочастотных" и 8 "низкочастотных" разностей фаз.
На рис. 1 приведены зависимости приведенных разностей фаз от обобщенного параметра (индукционного числа) для различных коэффициентов приведения (шифры кривых). Модель среды - однородная
Из приведенных графиков можно сделать вывод о различной чувствительности к параметрам однородной среды зондовых комплексов ВЭМКИЗ и ВИКИЗ. Увеличение параметра Р соответствует увеличению удельной
электропроводности среды. Выбором коэффициента
определяет чувствительность зондов к параметрам среды.
Модели неоднородных сред. Анализ фазовых характеристик ВЭМКИЗ выполнен с коэффициентами приведения равными 1,4 и 1/1,4. Это позволяет сохранить
характеристики части зондов ВИКИЗ в ансамбле зондов ВЭМКИЗ. Промежуточные шесть зондов ВЭМКИЗ, различаясь длинами и рабочими
Частотами, Определяются Произведением - = const.
Изучение возможностей метода ВЭМКИЗ в радиально-неоднородных средах ("скважина - пласт", "скважина - зона проникновения - пласт" и т. п.) основано на анализе численного моделирования цилиндрически-слоистых сред [6].
Рассмотрены различные комбинации параметров в двухслойных и трёхслойных моделях каротажа. Выбор параметров основан на статистических материалах, накопленных геофизическими организациями Сургута, Нижневартовска, Ноябрьска и др. районов в Западной Сибири.
Радиальные характеристики. Разрешающая способность зондовых систем каротажа является одной из главных характеристик при оценке истинных и техногенных неоднородностей в разрезе пластов-коллекторов.
Радиальные характеристики зондирующего комплекса отражают все изменения электрических свойств в радиусе их глубины исследования с тем большей достоверностью, чем выше локальность отклика-сигнала каждого из зондов, входящих в комплекс. Такие характеристики позволяют судить о разрешающей способности зондового комплекса.
Зависимость разности фаз от параметра р для ВЭМКИЗ и ВИКИЗ
100
;60
l 40
20
: —
У
1 J К Л V. У
■■ / ^
' ' ^ ^
1,4 1/1 А
/ \
/ «ЙГ "1КИЗ
—«—В1
4 6
параметр р, отн. ед.
10
Рис. 1. Сопоставление методов ВЭМКИЗ и ВИКИЗ. Два комплекса ВЭМКИЗ, каждый из которых представлен тремя "высокочастотными" и тремя "низкочастотными" коэффициентами Кривая черного цвета соответствует зондовому комплексу ВИКИЗ
Для описания радиальной разрешающей способности зондирующих систем введены характеристики двух типов [2]. Первый тип характеристик определяется отношением сигнала (например, разности фаз - А<р ), измеренного в радиально-неоднородной среде, к сигналу А<р0 в однородной среде с УЭС пласта:
г» А<Р1 ■
^ , / - номер зонда или пары зондов.
Второй тип определяется зависимостью относительной погрешности определения УЭС пласта от внешнего радиуса изменённой около скважинной зоны.
Остановимся на рассмотрении радиальных характеристик первого типа, который описывает возможности каждого из зондов в отдельности. Этот тип радиальных характеристик анализируется с позиций как можно лучшего совпадения кажущегося сопротивления с "истинным" сопротивлением пласта [3, 4].
Рассмотрим радиальные характеристики ВЭМКИЗ и ВИКИЗ в различных модельных ситуациях.
Модель среды - ”скважина - пласт”. Двухслойная модель может соответствовать сцементированным песчаникам или некоторым типам уплотненных глин.
Результаты моделирования представлены отношением сигнала в неоднородной среде к сигналу в однородной среде с параметрами пласта.
Относительные характеристики позволяют оценить искажающее влияние скважины и характеризуют возможности зондов исключать параметры скважины.
Ограничимся стандартными
условиями бурения скважин в Западной Сибири (диаметр скважины -0,216 м, сопротивление скважины варьируется в диапазоне от 0,5 Ом-м до 2 Ом-м, удельные сопротивления пластов изменяются от 1 до 45 Ом-м).
Графики на рисунках 5, отражают отсутствие влияния параметров скважины на весь комплекс зондов, включая самые короткие зонды. Кроме этого, чувствительность зондов ВЭМКИЗ к удельному сопротивлению выше, чем для зондов ВИКИЗ.
Детальный анализ показал, что зонды ВЭМКИЗ обладают более высокой степенью фокусировки.
Модель среды - ”скважина - зона проникновения - пласт”. На рис.6 ось
80 Ш
Рис. 5. Зависимости максимальной (1 ) и минимальной (2) приведённой разности фаз восьми пар смежных зондов ВЭМКИЗ и пяти зондов ВИКИЗ от УЭС среды. Модель "скважина - пласт". Скважина: диаметр -0,216 м;
УЭС - 2 Ом-м
ординат представлена отношением сигнала от неоднородной среды к сигналу в однородной среде с параметрами пласта.
Как видно из графиков, зонды малой длины ВЭМКИ314 имеют лучшую чувствительность к параметрам зоны проникновения. При этом радиальная глубина исследования зондами ВЭМКИ314 и ВЭМКИЗ 4 больше, поскольку удельное сопротивление пластов определяется меньшими длинами зондов по сравнению зондами ВИКИЗ. Таким образом, фокусирующие свойства фазовых характеристик ВЭМКИЗ превышают такие же свойства зондов ВИКИЗ. Сопоставление характеристик ВЭМКИЗ подтвердило теоретическую посылку о том, что "низкочастотный" вариант ВЭМКИЗ^ обладает большей радиальной глубиной исследования, чем зонды "высокочастотного" варианта ВЭМКИЗ Т.
ВЭМКИЗ
ВИКИЗ
1
;
ЛЬ---
V; 40 _
[5
-
1 1 1
б 0.5
1.5
1.5
Ь, м
Рис.6, а, б, в. Зависимость относительной разности фаз от длины зонда в трёхслойной модели среды для способа ВЭМКИЗ и метода ВИКИЗ (шифр кривых - граничные значения интервала удельных сопротивлений пласта). Параметры скважины (рс - 0,5 Ом-м, dc - 0,216 м). Параметры зоны проникновения: рзп= 15 Ом-м, d3п = 5тс
Вертикальные характеристики. Достоверность результатов измерений в пластах - коллекторах с радиальными неоднородностями удельного сопротивления может быть зависимой и искаженной параметрами вмещающих пород. С целью оценки влияния параметров вмещающих пород исследовались вертикальные характеристики зондов ВЭМКИЗ, которые сопоставлялись с ВИКИЗ на одних и тех же модельных средах.
Априори можно утверждать то, что короткие зонды, питаемые токами более высокой частоты, обладают лучшей локальностью, чем зонды большей длины в пластах одной и той же толщины. Поскольку с уменьшением частоты для зондов большей длины вихревые токи индуцируются в большем объеме исследуемой среды, то вклад в измеряемые сигналы возможен от удаленных участков среды, в том числе и от вмещающих пласт пород. Эти эффекты исследовались на модели границы раздела полупространств с различными электропроводностями.
Модель с одной границей раздела сред. Сопоставление диаграмм профилирования ВЭМКИЗ и ВИКИЗ ограничено тремя идентичными по длине базовыми парами зондов с целью визуальной наглядности графического представления результатов моделирования. Все отсутствующие
промежуточные данные "укладываются" в модельные данные базовых зондов.
Расчет кривых профилирования ВЭМКИЗ выполнен для максимальной и минимальной приведенных разностей фаз. Расположение элементов зонда при профилировании произвольно. Точкой записи кривых зондами ВЭМКИЗ является середина между генераторной и приемной катушками.
В качестве примера, на рис. 6 приведены примеры профилирования одной границы раздела сред.
По вертикальной оси поля графиков отложены значения расстояний от границы раздела в метрах, а по горизонтальной оси - величина разности фаз в градусах. Параметры моделей приведены на рисунках.
Диаграмма ВЭМКИЗ|
1. 1. р- 3.5 Ом м
и 3.5
к
^68
р= 8 Ом.м
10 15 20 25 30 35 40
разность фаз, градусы
Рис. 7, а, б. Профилирование границы раздела сред с различными удельными сопротивлениями: 6,а - модель малоконтрастная: 6, б - модель с высокой
контрастностью
Сравнивая кривые на рисунках можно отметить подобие профильных кривых. Влияние контрастности удельных сопротивлений сред завершается на расстояниях пропорциональных длинам зондов. Точкам на изгибе кривых соответствуют удаления индукторов зонда от границы между средами. При этом середина длины зондов приходится на границу раздела и становится "точкой записи зонда" кривой профилирования. Такой результат соответствует однородности среды по обе стороны от границы раздела. Изменение этих условий (принципа) можно толковать неоднородностью свойств, вызванных прослоями с малыми толщинами, на интервале соответствующего по длине зонда.
Физическое толкование результатов моделирования заключается в следующем. При увеличении частоты поля и электропроводности среды усиливается затухание поля. В этих условиях электромагнитное поле и его токи полностью находятся в соответствующей среде и не чувствует второго полупространства с другой электропроводностью. По мере увеличения длины зонда и уменьшения частоты возбуждаемого поля влияние смежного полупространства проявляется на большем расстоянии. Однако, в долях длины зонда эти расстояния равны для всех зондов ВЭМКИЗ, благодаря принципам изопараметричности зондовой системы.
Для компактности результатов моделирования пластов ограниченной мощности приводятся данные различных толщин пластов одного удельного сопротивления (8 Омм) заключенных в среды с равными удельными сопротивлениями (3.5 Омм). Толщины пластов изменялись с 0.8 до 4м.
Анализируя диаграммы на рис. 8, можно отметить следующее. Кривые ВЭМКИ31) отличаются от кривых ВИКИЗ, прежде всего, симметричностью формы на интервале пластов. Другая особенность заключена в более высокой чувствительности фазовой характеристики к одним и тем же модельным параметрам.
Рис. 8, а, б. Короткие зонды ВЭМКИЗ и ВИКИЗ в моделях пластов различной
мощности - 0,8; 1,6; 2,4; 3,2 и 4,0 м
Если толщина пласта меньше длины зонда ВЭМКИЗ, то влияние вмещающих сред приводит к искажению формы кривой и кажущегося удельного сопротивления пласта. На рис.8 такие нарушения формы кривой показаны на примере пласта с толщиной 0,8 м.
Резюмируя, отметим, что вмещающие породы низкого УЭС не оказывают влияния на измерение пласта более высокого УЭС, если его мощность, по меньшей мере, в два раза больше длины зонда. Аналогичный результат получен для пластов с противоположной контрастностью удельных сопротивлений.
Заключение.
Исследования, выполненные на основе численного моделирования канонических моделей каротажа, позволили выявить новые потенциальные возможности для способа ВЭМКИЗ, которые, в ряде случаев, превышают возможности метода ВИКИЗ:
- В средах относительно низкого удельного сопротивления чувствительность зондов ВЭМКИЗ более высокая, чем у зондов ВИКИЗ;
- Установлено, что зонды ВЭМКИЗ, как и зонды ВИКИЗ, обладают высокой разрешающей способностью;
- Кривые профилирования приведенных разностей фаз ВЭМКИЗ симметричны относительно центра однородного пласта;
- Вмещающие породы не искажают измеряемые удельные сопротивления пластов, выполняемые методами ВЭМКИЗ и ВИКИЗ, если их толщины, в два раза больше длины зонда.
Благодаря большему количеству зондов ВЭМКИЗ, при равной с ВИКИЗ максимальной длине устройства зондов, уменьшается вероятность неоднозначного толкования (интерпретации) данных зондирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонов Ю.Н., Эпов М.И., Каюров К.Н. Патент № 2365946 на изобретение "Способ электромагнитного изопараметрического зондирования. Приоритет от 19.12.2007.
2. Антонов Ю.Н., Жмаев С.С. Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ). Методические рекомендации // Новосибирск: Институт геологии и геофизики СО АН СССР, 1979. - 104 с.
3. Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ. Методическое руководство / Ред. Эпов М.И., Антонов Ю.Н. // Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, издательство СО РАН, 2000. - 122 с.
4. Эпов М.И., В.Н. Глинских. Электромагнитный каротаж: моделирование и инверсия// Новосибирск: Академическое изд-во "Гео", 2005. - 98 с.
5. Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. -М: Недра, 1974. - 192 с.
6. Дмитриев В.И. Осесимметричное электромагнитное поле в цилиндрически-слоистой среде // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. - 1972. - № 11. - С. 20-29.
2. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику// Государственное издательство физико-математической литературы (издание второе). -М., 1959. - 29 с.
© Ю.Н. Антонов, 2010
