CC BY
18
УДК 528.44
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-274-280
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СОБСТВЕННОГО ШУМА ЗОНДОВ АППАРАТУРЫ СКЛ-160 В УСЛОВИЯХ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Георгий Владимирович Москалев
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, студент, e-mail: gmoskalev95@gmail.com
Андрей Юрьевич Соболев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: SobolevAY@ipgg.sbras.ru
Сделана оценка параметров собственного шума зондов ВИКИЗ автономной аппаратуры СКЛ-160 в скважинных условиях по данным месторождений Западной Сибири. Впервые показано, что шум при измерении относительных амплитуд, выраженный в кажущихся УЭС, примерно вдвое выше, чем при измерении разностей фаз.
Ключевые слова: СКЛ-160, ВИКИЗ, аппаратный шум, оценка шума.
NOISE LEVEL PARAMETERS ESTIMATION OF THE SKL-160 PROBES UNDER THE OIL AND GAS WELLS CONDITIONS OF WESTERN SIBERIA
Georgiy V. Moskalev
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Student, e-mail: gmoskalev95@gmail.com
Andrey Y. Sobolev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Senior Researcher, e-mail:SobolevAY@ipgg.sbras.ru
The noise level parameters estimation of the VIKIZ probes of the SKL-160 autonomous device under the borehole conditions based on Western Siberia location data are estimated. It is shown for the first time that the noise for attenuation probes transformed into apparent resistivity is approximately twice as high as for phase difference probes.
Key words: SKL-160, VIKIZ, hardware noise, noise level estimation.
Погрешности аппаратуры, в том числе уход сигнала и собственный шум, являются предметом пристального контроля и изучения производителя аппаратуры. Метрологические характеристики кабельных и некоторых автономных зондов высокочастотного индукционного зондирования (ВИКИЗ) НПП ГА «Луч», измеряющих разности фаз в приемных катушках, изучаются в метрологическом баке ИНГГ СО РАН, заполненном соленой водой [1, 2], где записываются каротажные кривые профилирования границы «воздух-вода» зондами ВИКИЗ при комнатной температуре, и в том числе изучаются собственные шумы [3]. Однако погрешности амплитудных измерений ВИКИЗ недос-
таточно исследованы, что приводит к тому, что они фактически отбрасываются, несмотря на их полезность [4]. Условия в скважине (давление и температура) могут достаточно сильно отличаться от условий на поверхности. Используя технологические стоянки прибора в скважине, можно изучать аппаратурный шум в скважинных условиях.
При проведении каротажа автономной аппаратурой, спускаемой на буровых трубах, запись сигналов скважинной аппаратуры во внутреннюю память происходит постоянно. Аппаратура СКЛ-160 регистрирует сигналы с частотой 4 Гц, записывая в минуту около 240 значений в каждом из 50-70 каналов в зависимости от конкретного состава комплекса. Технологически при записи автономной аппаратурой на буровых трубах через каждые 24 или 36 м (длина свечи) производится стоянка от одной до нескольких минут. Колебания колонны затухают достаточно быстро, это видно по данным акселерометров, и неподвижный прибор записывает несколько сотен отсчетов по каждому каналу в этой конкретной точке при скважинных условиях: температуре и давлении.
Наземная часть автономного комплекса регистрирует положение (перемещение) крюка талевого блока буровой колонны и вес на крюке. Последующая обработка этих данных в сочетании с данными акселерометра скважинной части аппаратуры позволяет определить перемещение низа буровой колонны и, следовательно, зонда, и привязать показания приборов к глубинам по скважине [5, 6]. На этом этапе информация о записях зондов во время стоянок утрачивается. Для изучения характеристик шумовой составляющей сигнала мы, напротив, выберем именно интервалы стоянок аппаратуры в открытом стволе скважины.
Использованы повременные каротажные и технологические записи автономной аппаратуры СКЛ-160, полученные в 14 скважинах на трех месторождениях Западной Сибири. Записи размечались в программе RealDepth5 [5, 6] на основе данных акселерометра (рис. 1), затем специально написанной программой выделялись интервалы стоянок [7].
Рис. 1. Пример каротажных кривых метода ВИКИЗ и интервалы стоянок, выделенные по данным акселерометрии в программе RealDepth5
Получено 1 330 стоянок размером более 300 точек, суммарно более 864 000 отсчетов по каждому каналу (рис. 2, а). Большинство стоянок длится около двух минут (около 500 точек).
В большинстве стоянок записи сигналов ВИКИЗ (разности фаз и относительные амплитуды) выглядят как случайный шум. Гистограмма распределения значений напоминает кривую Гаусса (рис. 2, б), что позволяет выдвинуть гипотезу о нормальном распределении значений во время стоянки, рассчитать среднее значение и дисперсию, другие моменты (коэффициенты асимметрии и эксцесса) и проверить гипотезу. Распределение средних значений на примере зонда 1К14 показано на рис. 3, а, в разных стоянках этот зонд показывал от 3 ° до почти 40
Практически использована функция погтаЫв81 библиотеки SciPy, основанная на критерии Пирсона с оптимальной группировкой.
Количество отсчетов Относительные амплитуды
а) б)
Рис. 2 Гистограммы:
а) размеры стоянок в точках, шт.; б) распределение показаний короткого амплитудного зонда (DA05) во время одной из стоянок
При уровне значимости а = 0,05 гипотеза о нормальном распределении для каждого из зондов ВИКИЗ независимо не отвергалась в более чем 90 % случаев, однако «отвергнутые» по разным зондам стоянки достаточно сильно пересекаются; в этих случаях по записям нескольких каналов видно, что зонд смещался. Можно считать, что шум во время стоянок распределен нормально и описывается средним квадратическим отклонением. Например, для зонда IK14 в большинстве случаев среднее квадратическое отклонение (СКО) меньше 0,1 в отдельных стоянках превышает 0,5 °(рис. 3, б).
Традиционно погрешности электромагнитных зондов (и отечественных, и зарубежных) описывают линейной формулой, включающей абсолютную и относительную составляющие. Так, согласно данным производителя для ВИКИЗ, предел допускаемой основной относительной погрешности измерения разности фаз не более ±(2,6+20/Дф) %, при этом временная (дрейф сигнала) и температурная составляющая погрешности нормируются отдельно.
Рис. 3 Распределение средних значений (а) и среднеквадратичного отклонения значений (б) во всех стоянках для зонда 1К14
На рис. 4 приведены значения СКО в зависимости от среднего значения сигнала для каждой стоянки для фазовых (1К10, рис. 4, а и 1К14, рис. 4, б) и амплитудных фА10, рис. 4, в и DA14, рис. 4, г) зондов. Действительно, можно заметить тренд (положительный для фазовых и отрицательный для амплитудных зондов), который описывается линейной формулой вида ах + Ь.
10.0150
о 0.0125
0.0100
: 0.0075
х 0.0025
Ч щ
ио.оооо
0.5
0.6 0.7 0.8 0.9 Относительные амплитуды
1.0
в)
Рис. 4. Распределение среднеквадратичных отклонений для фазовых а) 1К10 и б) 1К14 и амплитудных в) DA10, г) DA14 зондов (синяя линия - линия тренда;
красная линия - паспортная погрешность)
Для коротких зондов наклон линии тренда, описывающей зависимость от значений сигнала, менее выражен. Возможно, это связано и с недостаточным разнообразием исходных данных (терригенный разрез, пресный буровой раствор). Рассчитанные коэффициенты а и Ь приведены в таблице. Заметим, что шум во всех случаях на порядок ниже декларируемой производителем погрешности аппаратуры (2-3 % и 0,2 °). Даже правило «трех сигм» не объясняет такой запас при оценке погрешности.
Параметры собственного шума зондов ВИКИЗ комплекса СКЛ-160
Зонд а Ь Зонд а Ь
1К05 0.0017 0.0624 БЛ05 -0.0002 0.0014
1К06 0.0002 0.0597 БЛ06 -0.0017 0.0025
1К07 -0.0014 0.0999 БЛ07 -0.0013 0.0022
1К08 0.0001 0.0607 БЛ08 -0.0027 0.0035
1К10 0.0009 0.0562 БЛ10 -0.0021 0.0028
1К11 0.0017 0.0380 БЛ11 -0.0030 0.0037
1К14 0.0021 0.0278 БЛ14 -0.0025 0.0031
1К16 0.0022 0.0316 БЛ16 -0.0035 0.0042
1К20 0.0024 0.0212 БЛ20 -0.0031 0.0036
Шумы фазовых и амплитудных измерений трудно сравнивать между собой непосредственно, поскольку эти величины имеют разную физическую размерность. Для сопоставления можно их пересчитать в кажущиеся удельные электрические сопротивления (УЭС). На рис. 5, а приведен шум в процентах от измеренного сигнала в зависимости от кажущихся УЭС для зондов 1К20 и DA20. При измерении относительных амплитуд с увеличением УЭС шум уменьшается до менее чем 0,1 % от измеряемого сигнала, шум же при измерении разностей фаз растет, в редких случаях превышая 1 %. Однако если отклонение пересчитать в кажущиеся УЭС (рис. 5, б), то видно, что шум по амплитудным измерениям примерно в полтора-два раза выше, чем по фазовым.
0
X X
и а
01 г
2 э
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
ЭР ......... 'и.......
ОА О -
_ ° о ° о °о
- о « 8 „ о - СО о 0
- # о жво О
-
О С
........1 ~.....
0.1 1 10
Каж. сопротивление, ОМ'М
100
а)
Рис. 5. Уровень шума в долях от измеренного сигнала (а) и в долях от значений кажущегося УЭС (б) для зондов 1К20 (розовый) и DA20 (зеленый)
Показано, что во время стоянки, когда прибор СКЛ находится в скважине и неподвижен, показания в каналах измерения разностей фаз и относительных амплитуд метода ВИКИЗ являются случайными величинами, распределенными по нормальному закону. На выборке из 1 330 стоянок (14 скважин, 865 000 значений каждого зонда) оценены параметры этого распределения для всех зондов, что может быть использовано, например, при имитации скважинных сигналов для тестирования алгоритмов обработки и инверсии данных ВИКИЗ. Показано, что уровень шума значительно меньше заявленной погрешности измерений. Конечно, погрешность измерений не определяется только уровнем шума, однако полученные параметры шума можно рассматривать как нижнюю оценку погрешности. Впервые показано, что шум при измерении относительных амплитуд, выраженный в кажущихся УЭС, примерно вдвое выше, чем при измерении разностей фаз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Жмаев С. С., Киселев В. В., Петров А. Н. Аппаратура высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования: проблемы надежности и качества // Каротажник. - 1997. - № 34. - С. 64-71.
2. Каюров К. Н., Еремин В. Н., Эпов М. И. Аппаратура и интерпретационная база электромагнитного каротажа в процессе бурения // Нефтяное хозяйство. - 2014. - № 12. -С.112-115.
3. Жмаев С. С., Соболев А. Ю. Статистический анализ характеристик зондов ВИКИЗ // Электрические и электромагнитные методы исследования в нефтегазовых скважинах. - Новосибирск. : Изд-во СО РАН. НИЦ ОИГГМ, 1999. - С. 42-44.
4. Горбатенко А. А., Сухорукова К. В. Погрешность измерения и невязка при численной интерпретации сигналов электромагнитного каротажа в горизонтальных скважинах // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 23-28.
5. Расковалов П. С., Фаге А. Н., Власов А. А., Ельцов И. Н. Разработка программного обеспечения для работы с автономными каротажными комплексами и препроцессинга данных // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 2, ч. 2. - С. 33-36.
6. Тейтельбаум Д. В., Власов А. А. Программная система для каротажа в процессе бурения // // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 64-69.
7. Москалев Г. В. Выделение интервалов стоянки аппаратуры СКЛ-160 в реальных каротажных данных на месторождениях Западной Сибири // Сборник докладов XXII Международного симпозиума им. акад. М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященный 110-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири и 100-летию создания Сибгеолкома в России - Томск, ТПУ, 2-7 апр. 2018. - Томск. : Изд. ТПУ, 2018. (в печати).
REFERENCES
1. Zhmaev S. S., Kiselev V. V., Petrov A. N. Apparatura vysokochastotnogo indukcionnogo karotazhnogo izoparametricheskogo zondirovaniya: problemy nadezhnosti i kachestva // Karotazhnik. - 1997. - № 34. - S. 64-71.
2. Kayurov K. N., Eremin V. N., Epov M. I. Apparatura i interpretacionnaya baza elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya // Neftyanoe hozyajstvo. - 2014. - № 12. -S. 112-115.
3. Zhmaev S. S., Sobolev A. Yu. Statisticheskij analiz harakteristik zondov VIKIZ // Elektricheskie i elektromagnitnye metody issledovaniya v neftegazovyh skvazhinah. - Novosibirsk. : Izd-vo SO RAN. NIC OIGGM, 1999. - S. 42-44.
4. Gorbatenko A. A., Suhorukova K. V. Pogreshnost' izmereniya i nevyazka pri chislennoj interpretacii signalov elektromagnitnogo karotazha v gorizontal'nyh skvazhinah // Interekspo GEO-Sibir'-2014. X Mezhdunar. nauch. kongr. : Mezhdunar. nauch. konf. «Nedropol'zovanie. Gornoe delo. Napravleniya i tekhnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh. Geoekologiya»: Sb. materialov v 4 t., Novosibirsk, 8-18 aprelya 2014 g. - T. 2. -2014. - S. 23-28.
5. Raskovalov P. S., Fage A. N., Vlasov A. A., El'cov I. N. Razrabotka programmnogo obespecheniya dlya raboty s avtonomnymi karotazhnymi kompleksami i preprocessinga dannyh // Interekspo Geo-Sibir'. - 2010. - T. 2. - № 2. - S. 33-36.
6. Tejtel'baum D. V., Vlasov A. A. Programmnaya sistema dlya karotazha v processe bureniya // Interekspo Geo-Sibir'. - 2013. - T. 2. - № 2. - S. 64-69.
7. Moskalev G. V. Vydelenie intervalov stoyanki apparatury SKL-160 v real'nyh karotazhnyh dannyh na mestorozhdeniyah Zapadnoj Sibiri // Sbornik dokladov XHII Mezhdunarodnogo simpoziuma im. akad. M. A. Usova studentov i molodyh uchenyh, posvyashchennyj 110-letiyu pervogo vypuska gornyh inzhenerov v Sibiri i 100-letiyu sozdaniya Sibgeolkoma v Rossii - Tomsk, TPU, 2-7 apr. 2018. - Tomsk. : Izd. TPU, 2018. (v pechati).
© Г. В. Москалев, А. Ю. Соболев, 2018
