CC BY
5
УДК 550.832.7
DOI: 10.33764/2618-981X-2021-2-2-168-173
ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЗОНДОМ В ТОНКОСЛОИСТЫХ МОДЕЛЯХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Игорь Владиславович Михайлов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга 3, к.т.н., старший научный сотрудник, e-mail: MikhaylovIV@ipgg.sbras.ru
Марина Николаевна Никитенко
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга 3, к.т.н., старший научный сотрудник, e-mail: NikitenkoMN@ipgg.sbras.ru
Ирина Владимировна Суродина
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева 6, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, e-mail: sur@ommfao1.sscc.ru
Проведено трёхмерное конечно-разностное моделирование электромагнитных сигналов каротажного зонда с тороидальными катушками в тонкослоистых моделях на базе электролитического бака. По результатам моделирования установлены толщины и удельные электрические сопротивления прослоев, при которых сигналы зонда в тонкослоистой и эквивалентной ей макроанизотропной модели совпадают в пределах заданной погрешности.
Ключевые слова: тороидальная катушка, численное моделирование, удельное электрическое сопротивление, тонкая слоистость, физический эксперимент
SUBSTANTIATION OF PHYSICAL EXPERIMENTS
WITH ELECTROMAGNETIC TOOL IN THIN-LAYER MODELS SUBSEQUENT TO NUMERICAL SIMULATION RESULTS
Igor V. Mikhaylov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Ave., Novosibirsk, 630090, Russia, PhD., Senior Researcher, e-mail: MikhaylovIV@ipgg.sbras.ru
Marina N. Nikitenko
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Ave., Novosibirsk, 630090, Russia, PhD., Senior Researcher, e-mail: NikitenkoMN@ipgg.sbras.ru
Irina V. Surodina
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Akademika Koptyuga Ave., Novosibirsk, 630090, Russia, PhD., Senior Researcher, e-mail: sur@ommfao1.sscc.ru
We performed 3D finite-difference simulation of electromagnetic signals from the logging tool with toroidal coils in electrolytic-tank-based thin-layer models. Following the simulation results, we elucidated the thicknesses and resistivities of the interlayers, for which the signals in a thin-layer and the equivalent macroanisotropic model coincide within the specified error.
Keywords: toroidal coil, numerical simulation, electrical resistivity, thin layering, physical experiment
Данное исследование направлено на развитие электромагнитных скважин-ных зондирований за счёт применения тороидальных катушек в качестве источников и приёмников сигналов [1]. Ранее выполнено математическое обоснование каротажного электромагнитного зонда с тороидальными катушками [2], созданы специализированные программно-алгоритмические средства конечно-разностного моделирования, обработки и инверсии данных [3, 4], разработаны подходы к интерпретации [5], показана возможность изучения тонкослоистых электрически анизотропных коллекторов Приобского нефтяного месторождения [6].
Основная цель исследования - обосновать численным моделированием физические эксперименты с каротажным зондом с тороидальными катушками в тонкослоистых макроанизотропных моделях, которые предполагается соорудить в электролитическом баке ИНГГ СО РАН (рис. 1). Тонкая слоистость будет достигнута чередованием имитаторов пористой среды и прослоев электролита, разделённых компактными непроводящими проставками. Имитаторы пористой среды будут представлены наборами склеиваемых или спекаемых цилиндрических гранул из полиэтилена высокого давления (d = 0.7 мм,^Ь = 2.2 мм, р = 0.910-0.967 г/см3). Пористость имитатора может изменяться в пределах 1030%, УЭС электролита: 1-20 Ом-м. Тонкослоистые модели должны имитировать среды со значениями коэффициента электрической анизотропии от 1.7 до 4.1.
Для выбора оптимальных параметров физических моделей, при которых тонкослоистая среда будет проявляться на электромагнитных сигналах зонда с тороидальными катушками как макроанизотропная, необходимо провести численное трёхмерное моделирование, реалистично описывающее конфигурацию электролитического бака со скважиной и тонкими прослоями. Для трёхмерного конечно-разностного моделирования используется решение прямой задачи в полной математической постановке при возбуждении электромагнитного поля круговым магнитным током [3]. Моделируемые сигналы: реальная и мнимая составляющие вертикальной компоненты электрического поля (ReEz и ImEz) и тангенциальной компоненты магнитного поля (ReH и 1тНф). Ниже приведены некоторые результаты численного моделирования ImEz и ImH^ демонстрирующие основные особенности сигналов.
Рис. 1. Схема электролитического бака с тонкослоистой моделью в разрезе
(ширина бака - 2850 мм). Под баком расположена скважина с асбоцементной стенкой. При численном моделировании не учитываются электрофизические характеристики стенок бака и проставок между прослоями
На первой стадии выполнено численное моделирование электромагнитных сигналов в баке без тонких прослоев при УЭС электролита 1 Ом-м (рис. 2). На всех диаграммах отчётливо проявлены верхняя и нижняя контрастные границы бака. Диаграмма 1шИф суммарного режима с однонаправленными моментами симметрично расположенных генераторных катушек для центрального приёмника 0.0 м квазисимметрична относительно центра бака, а кривые приёмников -0.25 и +0.25 м характеризуются зеркальной симметрией. Близкие закономерности наблюдаются для 1шБ2 в разностном режиме с разнонаправленными моментами генераторных катушек.
Максимальные значения 1шНф в суммарном режиме отмечаются в центре бака и варьируются от 4.96 А/м (приёмник 0.0 м) до 5.54 А/м (приёмники - 0.25 и +0.25 м); максимальные значения 1шБ2 в разностном режиме удалены на 0.5 м внутрь бака от выделенных пунктиром границ и по модулю изменяются от 4.37-10"4 до 1.7-10"3 В/м. В центре бака диаграмма разностного режима для приёмника 0.0 м характеризуется точкой перегиба.
Выход сигналов суммарного режима на нижнюю асимптоту происходит на глубине 3.0 м, в то время как сигналы разностного режима близки к нулевому значению в обеих вмещающих бак средах.
При добавлении тонкослоистой модели в бак, показания обоих режимов уменьшаются и не превышают 3.67 А/м и 8.68-10"4 В/м соответственно (рис. 3).
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0
^ -0.5 «
я 0.0 ю
£ 0.5
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 ^^Н 1 -0.5 0 0
ч^Г- _ -- - - _____________
Ц--
^^В 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
_____________
-0.25 м -0 .25 м
0.0 м 0. 0 м
-+0.25 м +0.25 м
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0^+00 2.0E+00 4.0E+00 6.0E+00 1шЫф, А/м
-2^-03
0.0E+00 ГшЕг, В/м
2^-03
Рис. 2. Результаты трёхмерного конечно -разностного моделирования сигналов каротажного зонда с тороидальными катушками в электролитическом баке (УЭС электролита 1 Ом-м). Частота 250 кГц. Слева - суммарный режим,
мнимая составляющая тангенциальной компоненты магнитного поля; справа - разностный режим, мнимая составляющая вертикальной компоненты электрического поля. Чёрная линия соответствует границе «воздух-электролит», оранжевые - придонному слою. Шифр соответствует положению приёмной катушки
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0Ж+00 1^+00 3Ж+00 1шЫф, А/м
■0.25 м 0.0 м +0.25 м
4^+00
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
_______
-0.25 м
0.0 м
-+0.25 м
-1Ж-03
0Ж+00 1шЕ/, В/м
1Ж-03
Рис. 3. Результаты трёхмерного конечно-разностного моделирования сигналов в электролитическом баке (УЭС электролита 1 Ом-м) с тонкослоистой моделью (20 чередующихся прослоев с УЭС 1 и 16 Ом-м, толщиной 0.1 м). Частота 250 кГц. Обозначения - как на предыдущем рисунке
Тонкая слоистость видна на диаграммах как суммарного, так и разностного режима, но более выражена в разностном. Отметим также, что на глубине -1.3 м присутствуют выраженные экстремумы диаграмм ImH с близкими значениями, равными 3.63, 3.64 и 3.76 А/м.
Соответствие между сигналами зонда с тороидальными катушками в тонкослоистой и эквивалентной макроанизотропной модели оценивается как относительное отклонение среднего значения в тонкослоистой модели от показания в эквивалентной макроанизотропной модели. Исходя из такого подхода, по предварительным результатам исследований, оптимальная толщина тонких прослоев модели в электролитическом баке для проведения физических экспериментов составляет 0.05-0.1 м.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект № 1905-00595.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Михайлов И.В., Глинских В.Н., Никитенко М.Н. Применение тороидальных катушек в задачах каротажа нефтегазовых скважин (аналитический обзор) // Геофизические исследования. - 2021. - Т. 22. - № 1. - С. 5-24.
2. Эпов М.И., Никитенко М.Н., Глинских В.Н. Математическое обоснование нового электромагнитного зонда с тороидальными катушками для высокоразрешающего каротажа нефтегазовых скважин // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. - 2018. - Т. 16.
- № 1. - С. 113-129.
3. Суродина И.В., Михайлов И.В., Глинских В.Н. Математическое моделирование сигналов тороидального источника в трехмерных изотропных моделях геологических сред // Естественные и технические науки. - 2020. - № 12. - С. 131-134.
4. Эпов М.И., Михайлов И.В., Глинских В.Н., Никитенко М.Н., Суродина И.В. Алгоритмы обработки и инверсии данных электромагнитного зонда с тороидальными катушками при изучении макроанизотропных свойств пластов-коллекторов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2019. - Т. 330. - № 6. - С. 187-197.
5. Эпов М.И., Глинских В.Н., Еремин В.Н., Михайлов И.В., Никитенко М.Н., Осипов С.В., Петров А.Н., Суродина И.В., Яценко В.М. Новый электромагнитный зонд для высокоразрешающего каротажа: от теоретического обоснования до скважинных испытаний // Нефтяное хозяйство. - 2018. - № 11. - С. 23-27.
6. Михайлов И.В., Велесов Д.В., Глинских В.Н. Изучение тонкослоистых коллекторов с применением тороидальных источников и приемников (на примере Приобского нефтяного месторождения) // Геофизические технологии. - 2020. - № 1. - С. 16-27.
REFERENCES
1. Mihajlov I.V., Glinskih V.N., Nikitenko M.N. Primenenie toroidal'nyh katushek v zadachah karotazha neftegazovyh skvazhin (analiticheskij obzor) // Geofizicheskie issledovaniya.- 2021. - T. 22. - №. 1. - S. 5-24.
2. Epov M.I., Nikitenko M.N., Glinskih V.N. Matematicheskoe obosnovanie novogo elektromagnitnogo zonda s toroidal'nymi katushkami dlya vysokorazreshayushchego karotazha neftegazovyh skvazhin // Vestnik NGU. Seriya: Informacionnye tekhnologii.
- 2018. - T. 16. -№ . 1. - S. 113-129.
3. Surodina I.V., Mihajlov I.V., Glinskih V.N. Matematicheskoe modelirovanie signalov toroidal'nogo istochnika v trekhmernyh izotropnyh modelyah geologicheskih sred // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. - 2020. - №. 12. - S. 131-134.
4. Epov M.I., Mihajlov I.V., Glinskih V.N., Nikitenko M.N., Surodina I.V. Algoritmy obrabotki i inversii dannyh elektromagnitnogo zonda s toroidal'nymi katushkami pri izuchenii makroanizotropnyh svojstv plastov-kollektorov // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. - 2019. - T. 330. - №. 6. - S. 187-197.
5. Epov M.I., Glinskih V.N., Eremin V.N., Mihajlov I.V., Nikitenko M.N., Osipov S.V., Petrov A.N., Surodina I.V., Yacenko V.M. Novyj elektromagnitnyj zond dlya vysokorazreshayushchego karotazha: ot teoreticheskogo obosnovaniya do skvazhinnyh ispytanij // Neftyanoe hozyajstvo. -2018. - №. 11. - S. 23-27.
6. Mihajlov I.V., Velesov D.V., Glinskih V.N. Izuchenie tonkosloistyh kollektorov s primeneniem toroidal'nyh istochnikov i priemnikov (na primere Priobskogo neftyanogo mestorozhdeniya) // Geofizicheskie tekhnologii. - 2020. - №. 1. - S. 16-27.
© И. В. Михайлов, М. Н. Никитенко, И. В. Суродина, 2021
