CC BY
326. Waddoups M.E., Eisenmann J.R., Kaminski B.E. Macroscopic fracture mechanics of advanced composite materials // J. Compos. Mater. - 1971. - Vol. 5, No. 4. - P. 446-454.
7. Tirosh J. On the tensile and compressive strength of solids weakened (strengthened) by an inhomogeneity // Trans. ASME. J. Appl. Mech. - 1977. - Vol. 44, No. 3. - P. 449-454.
8. Хеллан К. Введение в механику разрушения. -М.: Мир, 1988. - 364 с.
9. Nordgren A., Melander A. Influence of porosite
on strength of WC-10 % Co cemented carbide // Powder Metallurgy. - 1988. - Vol. 31, No. 3. - P. 189-200.
10. Седов Л.И. Механика сплошной среды. - М.: Наука, 1984. - Т. 2. - 560 с.
11. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974. - 640 с.
12. Сукнёв С.В., Елшин В.К., Новопашин М.Д. Экспериментальное моделирование процессов тре-щинообразования в образцах горных пород с отверстием // ФТПРПИ. - 2003. - № 5. - С. 47-54.
УДК 550.832.07
Особенности технологии электрокаротажа скважины обсаженной
металлической колонной
С.А.Великин
Рассмотрены технологические особенности электрического каротажа скважин, обсаженных металлическими трубами. Разработаны базовые элементы технических средств, теоретического и методического обеспечения ЭКОМС применительно к мониторингу захороненных рассолов в условиях криолитозоны. Экспериментально оценено состояние захоронения рассолов, удаленных с Удачнинского горно-обогатительного предприятия, подтверждаемое результатами наземной индуктивной электроразведкой.
The technological specifics of electrical logging in boreholes cased with metal pipes are discussed. The basic elements of the apparatus, theory and methods for electric logging in metal-cased boreholes are presented which were developed to monitor buried brines in permafrost. The method was applied to evaluate a brine disposal site at the Udachnyi Mine; the experimental results were confirmed by a surface induction survey.
Ключевые слова: электрокаротаж, рассол, обсадные трубы, электрическое сопротивление.
Для решения задач мониторинга, контроля и оценки геологической среды одним из важных направлений развития разведочной и промысловой геофизики представляется электрокаротаж обсаженных металлическими трубами скважин. Идея возможности такой технологии предложена Л.М. Альпиным (1962), согласно которой электрическое поле между электродом, находящимся внутри обсадной трубы, и электродом, расположенным вне этой трубы (в зумпфее на поверхности земли или в другой скважине), не полностью шунтируется трубой. Измеряя это поле, можно с достаточной точностью определять электросопротивление пород, вмещающих обсадную колонку [1-3]. Ак-
ВЕЛИКИН Сергей Александрович - к.т.н., начальник Ви-люйской научно-исследовательской мерзлотной станции ИМЗ им. П.И.Мельникова СО РАН.
тивные технологические исследования в этом направлении начались сравнительно недавно. Так в течение последнего десятилетия компанией «Para Magnetik Logging» (США) ведутся работы по созданию системы для выполнения таких измерений (СЭКУК). Полевые испытания, проведенные этой компанией в Техасе, в мелких скважинах показали хорошо воспроизводимые результаты. Эти исследования помимо самой компании финансируют также Департамент энергетики США, Научно-исследовательский институт газа (США) и одна из крупных нефтяных международных компаний. В России такие исследования носят фрагментарный характер, что побудило нас начать исследования по разработке технологии электрического каротажа в скважинах обсаженных металлическими трубами (ЭКОМС) применительно к гидрогеологическому
мониторингу закаченных рассолов, удаляемых с разрабатываемых карьеров (кимберлитовых трубок). Решение поставленной задачи заключалось в создании технических средств измерения электрического поля в скважине, теоретической проработке базовых моделей объектов исследования и натурных экспериментов.
Учитывая специфику каротажа в регионе (криолитозона), в том числе сухих скважин, а также задачу мониторинга захороненных рассолов, в лаборатории Вилюйской научно-исследовательской станции ИМЗ СО РАН разработан зонд с двухак-тивным электродом (АЭ) (усилительные устройства с очень большим входным сопротивлением) к приемным электродам с автономным питанием внутри зонда. При этом броня кабеля служит экраном в отличие от других конструкций зондов. На рис. 1 представлена блок-схема (а) и принципиальная схема разработанного и изготовленного зонда (б) для измерения кажущегося сопротивления (КС) горных пород. Зонд приспособлен к работе с серийной полевой электроразведочной аппаратурой АНЧ-3.
Непосредственно к электродам М и N присоединены АЭ (У2 и У3). Питание их осуществляется встроенной батареей аккумуляторов (У4) через вспомогательную распределительную плату (У 1). Синфазные сигналы М и N поступают по кабелю на пульт АБЦ (К2), с точки зрения входов представляющий собой дифференциальный усилитель. С выхода этого усилителя сигнал направляется на измеритель АНЧ-3 (К3). Генератор АНЧ-3 (К4) запитывает переменным током питающую линию АВ. Рассмотрим принципы работы узлов зонда (рис. 1).
Если аккумуляторы (У4) заряжены, то через контакты геркона и резисторы 2,4 к плюсовой их вывод оказывается приложенным к АЭ (У2 и У3). Активные электроды находятся в рабочем состоянии. Сигналы электродов М и N поступают на выходы АЭ, далее, усиленные по мощности, они через плюсовой вывод питания (прохождение сигналов в АЭ по плюсовому выводу является штатным режимом работы активного электрода), конденсаторы 2,2 мкф, а также еще резисторы 470 Ом и предохранители уходят к точкам 1 и 2 (выходы). При этом наличие зондов моста КЦ 407 никак не сказывается на работе, т.к. плюсовый вывод аккумулятора оказывается отсоединен от сигнальных проводов (выводы моста) включенным встречно
Рис. 1. Принципиальная схема узлов зонда КС
нижним плечом моста, а сигналы не уходят в питающие цепи из-за наличия стабилитронов КС 175.
Для зарядки аккумуляторов специально изготовленное зарядное устройство (У5) выдает на выходе пульсирующий ток силой 20 мА. Его выводы без соблюдения полярности присоединяются к гнездам М и N зонда, которые соединены с точками 1 и 2 платы У1. Этот пульсирующий ток, проходя через предохранители и резисторы 470 Ом и диодами моста, распределяется так, что минусовый вывод зарядного устройства оказывается
приложенным к минусовому выводу аккумуляторов, а плюсовой - к плюсовому. Начинается зарядка аккумуляторов. Для отсоединения аккумуляторов от АЭ во время хранения и транспортировки используется геркон - т.е. реле, контакты которого могут размыкаться под воздействием внешнего магнитного поля. Когда нужно разомкнуть цепь аккумуляторов на зонд в определенном месте закрепляется постоянный магнит. Магнит снимается перед опусканием зонда в скважину и аккумулятора подсоединяются. Стабилитроны Д814Г служат для защиты АЭ от возможного перенапряжения при зарядке аккумуляторов.
Для теоретических расчетов и практического применения ЭКОМС в конкретных условиях целесообразно определить реальное сопротивление (р) обсадных труб. Для этого проведен ряд измерений по нескольким трубам различного диаметра и толщины аппаратурой АНЧ-3 и специально изготовленными симметричными четырехэлек-тродными зондами.
В средней части интервала АВ (независимо от расположения электродов А и В относительно концов трубы) имеем (при АВ >> Э):
З = КЗ,, Л = I/5 = I/[п/4(В - а2)],
Е2 = РЛ = 4р1 /[п(в2 - а2)], АЦ = Аимн = ЕШ = р1 [4ЫЫ/п(В - а)], (1)
р = п[((В2 - а2)/4Ш]АЦ/1 или р = К(А(АЦ/1)К = п[((В2 - а2)/4МЫ]
где ] - плотность тока, J - сила тока, 5 - сечение трубы, Е, - компонента напряженности электрического поля по оси г, р - удельное электрическое сопротивление металла трубы, АЦ - разность потенциалов.
Определенное по формулам (1) удельное сопротивление экстрополируется на реальные диаметры и толщины обсадных труб и составляются палетки, данные которых используются при теоретических расчетах. При этом предполагается, что минерализация воды в обсаженной скважине практически не влияет на кажущееся сопротивление рк, т.к. (при достаточной длине зонда) влияние промывочной жидкости и обсадной трубы в доминирующей степени определяется погонной проводимостью 512 = п (В2 - 02)/4рр + п оР/4рж (рж - удельное электрическое сопротивление жидкости). Так как реально первое слагаемое в правой части этого выражения больше второго в тысячи
раз, то 512 на 99,9% зависит от параметров обсадной трубы.
Предположим, что точечные электроды расположены на оси симметрии модели среды с двумя коаксильными цилиндрическими границами, радиусы которых г и Я (Я>г). Удельные электрические сопротивления внутреннего цилиндра, цилиндрического слоя и внешней области соответственно равны р1, р2 и р3 (рис. 2).
Как известно, выражение для кажущегося удельного электрического сопротивления рк в этом случае (для однополюсного трехэлектродно-го зонда КС) может быть представлено в виде:
Р*:='
А и
. 2 АМ-АК АМ.
1 +---лглт---)
71 МТУ • г г
А(Х) =
Р +
(2)
1 +
Р =
а1ЩХ)[К0(Х) + Р10(Х)]
0(хадсхя.) к о
1+
^21
Ха2%К(
СХ, Ц")1 1«» С^л Цм
ц32-1, Ц
5С , ■
г а
:1= р2/р!, ^32
= р3/р2
где 10, 11 - модифицированные функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка, К0, К1 - функции Макдональда (модифицированные функции Бесселя второго рода) нулевого и первого порядка.
На основе выражений (2) был разработан алгоритм и составлена программа для расчета величины рк трехэлектродного зонда КС с точечными электродами. При разработке алгоритма и программы потребовали учета следующие обстоятельства.
А 1 ► 1
М 1 Г 1
N 1 1 1 1 г
X X 1 1
2 1 1 К
1
1 <1
'с
1 1 ---9
В(С0П8|,С0 )
Рис. 2. Геометрическая модель обсадной скважины и местоположение зонда КС
1. Численное интегрирование элементов функций I0 , I1 , К0, К1 и значение этих функций требуется проводить по разным формулам в зависимости от значения аргумента, а вычислять эти функции следует с «двойной точностью».
2. При малых значениях отношений AM/r, AN/r, АМ/R, AN/R величина интеграла в выражениях (2), в основном, определяется поведением подинтегральной функции при малых значениях переменной интегрирования X, что требует повышенной точности численного интегрирования.
3. При больших значениях отношений АМ/r, AN/r, AM/R, AN/R с увеличением X подинтеграль-ная функция, оссцилируя, очень медленно убывает по амплитуде. В этом случае для ускорения вычислений эффективным оказалось применение преобразований Эйлера.
4. С уменьшением р2 и увеличением контрастности границ относительная погрешность расчетов на основе выражений (2) возрастает. Тестирование программы показало, что при выбранных значениях r, R и представляющих практический интерес диапазонных величинр3, AM, AN, погрешность расчета по разработанной программе может оказаться значительной, если р2 <10-5 Ом^м.
По результатам расчетов для ряда использованных зондов построены соответствующие палетки.
Результаты экспериментальных работ
Натурные экспериментальные исследования проводились по гидрогеологическим наблюдательным и нагревательным скважинам системы закачки дренажных рассолов на Октябрьском полигоне их захоронения (рис. 3). Проведение работ сопровождалось целым рядом осложнений, связанных с условиями бурения скважин, их конструкциями и состоянием ствола. Так, наблюдения в зимний период были осложнены условиями заземлений. Как в скважине, так и на поверхности, резко возросли сопротивления заземлений из-за появления изморози на стенках скважин и промерзания почвенного слоя (заземления на бесконечность). Кроме того, резкое изменение диаметра обсадных труб в наблюдательных скважинах потребовало изменения комплекта зондов с различными диаметрами контактных электродов.
Предварительно проведенные опытно-методические работы показали, что в условиях контактных сопротивлений зондов из-за толстого
слоя ржавчины и наличия пленок нефтепродуктов наиболее помехозащищенной является установка вертикального градиента, с помощью которой и проводились измерения.
Для ослабления влияния различных диаметров и толщины обсадных труб применено нормирование расчетных параметров геологической среды:
где роп - кажущееся сопротивление опорного пласта, отличающееся минимальным сопротивлением.
По результатам проведенных наблюдений построен геолого-геофизический разрез, на который, кроме каротажных данных, вынесены пьезометрические уровни и уровни вскрытия грунтовых вод по близкорасположенным (на расстоянии 100 м) скважинам системы закачки и гидрогеологического контроля (рис. 4).
В разрезе наблюдаемых скважин выявлен горизонт пониженных сопротивлений, расположенный на глубинах 50-100 м, рельеф кровли которого повторяет в общих чертах рельеф земной поверхности. Вынесенные на разрез пьезометрические уровни и интервалы вскрытия подземных вод в целом подтверждают эту гипотезу. По данным гидрогеологической службы неоднократно отмечалось, даже в пределах небольших (~100 х 100 м) площадок, что глубина вскрытия подземных вод, как правило, различна, что связано как со сложностью гидрогеологической обстановки, так и с миграцией рассолов в процессе их захоронения.
Этот вывод подтверждается данными наземной электроразведки (рис. 5). На этом рисунке представлен схематический геолого-геофизический разрез, построенный по данным профилирования методом переходных процессов, где предполагаемый водонасыщенный минерализированный горизонт выделен по контурам аномалии пониженного электросопротивления (<8 Ом^м). Причем его верхняя граница подтверждается данными каротажа ЭКОМС. Характер выделенной границы проводящего горизонта говорит о возможном блочном строении вмещающих пластов, что также подтверждается структурными построениями по данным гамма-каротажа.
На рис. 6 представлены результаты режимных наблюдений по одной из наблюдаемых скважин. Кроме непосредственного изучения положения
Рис. 3. План Октябрьского участка захоронения дренажного рассолов карьера трубки «Удачная»
Рис. 4. Геолого-геофизический разрез по профилю скважин
Рис. 5. Схематический геолого-геофизический разрез
Рис. 6. Результаты режимных наблюдений по одной из наблюдательных скважин
границ водонасыщенных пластов коллекторов с повышенной минерализацией существенный интерес представляет также контроль динамики их электрического сопротивления в процессе водо-насыщения, промерзания и рассоления.
Из представленных материалов следует, что за период режимных наблюдений (2 месяца) более поздним замерам соответствует понижение общего уровня электропроводности, связанное с очередным циклом захоронения минерализированных вод.
Выводы
Полученные результаты указывают на возможность использования электрокаротажа (ЭКОМС) для выделения электропроводящих пластов в наблюдательных скважинах, обсаженных металлом, и реальную возможность подсе-чения засоленных и водосодержащих горизонтов, возникающих в процессе захоронения минерализированных вод. Установлено, что в результате долголетней эксплуатации системы закачки дре-
нажных рассолов на территории Октябрьского участка захоронения на глубинах 50-70 м и ниже сформировались горизонты повышенной засоленности. Полученные данные хорошо увязываются с результатами геофизических работ.
Для учета влияния обсадных труб различного диаметра и толщины стенок, а также степени их коррозийного состояния целесообразно использование многозондовых измерений, аналогичный способ применяется компанией «Para Magnetic logging».
Литература
1. Альпин Л.М. Дивергентный каротаж. Прикладная геофизика. - М.: Гостоптехиздат. 1962. - Вып. 32. - С. 76-85.
2. Schenkel C.J., Morrison H.F. Effects of Well Casing on Potential Field Measurements Using Downhole Current Sources // Geophys. Prosp. - 1990. - Vol. 38, № 6. - Р. 663-686.
3. Vail W.B. Cased Hole Resistivity Logging System Advancing // Oil and Gas. - 1989. - Vol. 87, № 37. - Р. 24.
