CC BY
67
УДК 550.832
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-108-115
РАЗРАБОТКА ПЛАСТОВОГО LWD-МИКРОИМИДЖЕРА УЭС: ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Кирилл Николаевич Даниловский
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник лаборатории сква-жинной геофизики, тел. (383)330-45-05, e-mail: DanilovskiiKN@ipgg.sbras.ru
Вячеслав Николаевич Глинских
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией скважинной геофизики; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доцент кафедры геологии месторождений нефти и газа; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор кафедры геофизических систем, тел. (383)330-45-05, e-mail: GlinskikhVN@ipgg.sbras.ru
Олег Валентинович Нечаев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории скважинной геофизики, тел. (383)330-45-05, e-mail: NechaevOV@ipgg.sbras.ru
Приведен обзор наиболее известных зарубежных пластовых имиджеров удельного электрического сопротивления (УЭС), используемых при каротаже в процессе бурения. Описан алгоритм и показаны результаты трехмерного численного моделирования сигналов нового отечественного прибора - микроимиджера УЭС для каротажа в процессе бурения в реалистичных геоэлектрических моделях сред. Показаны возможности прибора в определении наклона геологических границ, выделении тонких пропластков и каверн.
Ключевые слова: микробоковой каротаж, электрический микроимиджер, удельное электрическое сопротивление, каротаж в процессе бурения, горизонтальные скважины, геонавигация.
DEVELOPMENT OF LWD RESISTIVITY MICROIMAGING TOOL: REVIEW OF KNOWN SOLUTIONS AND FORWARD MODELING RESULTS
Kirill N. Danilovsky
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, Laboratory of Borehole Geophysics, phone: (383)330-45-05, e-mail: DanilovskiiKN@ipgg.sbras.ru
Vyacheslav N. Glinskikh
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory of Borehole Geophysics; Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630073, Russia, Associate Professor Department of Geology of Oil-and-Gas Field; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Professor, Department of Geophysical Systems, phone: (383)330-45-05, e-mail: GlinskikhVN@ipgg.sbras.ru
Oleg V. Nechaev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of Borehole Geophysics, phone: (383)330-45-05, e-mail: NechaevOV@ipgg.sbras.ru
A review of the well-known foreign resistivity imagers for logging while drilling (LWD) is shown. The algorithm is described and results are shown for 3D numerical modelling of a new Russian LWD resistivity microimaging tool signals using realistic geoelectrical models. The tool possibilities in bedding dip recognition and identification of thin layers and caverns are presented.
Key words: micro lateral logging, resistivity microimager, logging while drilling, horizontal wells, well placement.
В последние годы широкое применение получили азимутальные приборы каротажа для исследования нефтегазовых скважин, в том числе в процессе бурения. Привлечение данных, получаемых с использованием таких приборов в комплексе со стандартными методами геофизических исследований скважин, расширяет круг решаемых гео лого-технологических задач и повышает эффективность их решения.
Ведущие зарубежные сервисные компании имеют свои разработки для азимутального каротажа УЭС, которые они применяют, предоставляя сервисные услуги, в том числе и в России. В частности, такими разработками являются приборы StarTrak™ (Baker Hughes), MicroScope™ (Schlumberger), SineWave™ (Weatherford) и AFR™ (Halliburton) [1-4] (рис. 1).
Рис. 1. Зарубежные микроимиджеры УЭС для каротажа в процессе бурения: StarTrak™ (a), MicroScope™ (b), SineWave™ (c), AFR™ (d)
Микроимиджер УЭС StarTrak™ разработан в 2004 г. Вместо набора электродов, традиционно используемого в прижимных имиджерах для каротажа на кабеле, в данном приборе имеется только один электрод, расположенный на стенке корпуса прибора. Постоянное вращение колонны в процессе бурения позволяет датчику «покрыть» всю стенку скважины, при этом на имидже не ос-
таются характерные неисследованные вертикальные полосы, как в случае каротажа на кабеле при помощи приборов с прижимными лапами.
Прибор МюшЗсоре™ имеет более сложную конфигурацию. В качестве источника электрического поля в приборе используется набор тороидальных катушек, что позволяет получать имиджи УЭС с четырьмя различными значениями радиальной глубинности исследования. Помимо тороидальных катушек, в приборе имеются два «кнопочных» электрода, расположенных диаметрально противоположно на стенке корпуса прибора. Использование таких электродов позволяет также измерять УЭС бурового раствора, которое является важным параметром для коррекции других измерений УЭС.
Микроимиджер SineWave™, в отличие от своих аналогов, обладает двумя измерительными электродами различных диаметров: 0.2 и 0.4 дюйма. Имидж записывается в 128 независимых секторах, при этом в реальном времени возможна передача на поверхность имиджей с 16, 32 и 64 секторами. Разрешение имиджей, получаемых с помощью данного прибора сравнимо с разрешением пластовых микросканнеров, используемых при каротаже на кабеле.
Прибор А^™ использует тот же принцип измерений, что и Мюг^соре™. Конфигурация включает в себя 3 ряда по 3 измерительных электрода и 2 симметрично расположенные тороидальные катушки. После последнего усовершенствования прибора в 2007 г. центральные измерительные электроды диаметром 1 дюйм заменены сенсорами диаметром 0.4 дюйма для получения имиджей высокого разрешения. Остальные 6 электродов не заменены, чтобы сохранить широкий рабочий диапазон прибора, так как при уменьшении диаметра электрода уменьшается и отношение «сигнал-шум». В средах с высоким УЭС это особенно заметно, поскольку измеряемые токи в этом случае очень малы.
Сдерживающим фактором широкого применения зарубежной аппаратуры является то, что производители не продают приборы российским сервисным геофизическим компаниям, а только оказывают сервисные услуги. Этим обусловлена необходимость создания современных каротажных приборов отечественными производителями, в частности, в этом направлением работает Научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры «Луч» (НИИ ГА «Луч», г. Новосибирск) [5-13]. В настоящий момент предприятием ведется разработка прибора азимутального микробокового каротажа в процессе бурения (LWD-микроимиджера УЭС).
Задача данного исследования состоит в определении возможностей разрабатываемого LWD-микроимиджера УЭС на основе результатов численного моделирования его сигналов с использованием разработанных программно-алгоритмических средств в реалистичных геоэлектрических моделях сред.
Принцип работы микроимиджера УЭС основан на методе микробокового каротажа, где ток основного электрода А1 фокусируется с помощью трех дополнительных экранных электродов АЭ (рис. 2). Такая фокусировка делает возможным детальное изучение разреза, сложенного пластами малой мощности. Электрический имиджер выполняет измерения в процессе бурения, когда компоновка низа буровой колонны вращается, при этом фиксируется азимутальное
положение датчика в скважине. Данные, записанные имиджером в скважине, представляются в виде развертки с координатами (ф, z), так называемого «имиджа».
С целью изучения возможностей прибора в предлагаемой конфигурации разработан алгоритм и реализовано программное обеспечение трехмерного моделирования электрических сигналов на основе векторного метода конечных элементов. Получены численные решения прямой задачи в трехмерной модели пространственно-неоднородной геологической среды. Численное решение исходного уравнения Пуассона с помощью сеточного метода сводится к системе линейных алгебраических уравнений с разреженной матрицей большой размерности, для решения которой эффективно применяется метод Холецкого.
С использованием разработанной программы выполнено масштабное моделирование в различных реалистичных геоэлектрических моделях среды: пересечение скважиной границы пластов с различными УЭС, трещин и каверн, заполненных проводящим буровым раствором и залеченных кальцитом, пересечение тонкослоистого коллектора. Изучено влияние УЭС бурового раствора, эксцентриситета и неровностей стенок скважины на регистрируемые данные. В работе подробно рассматриваются первые три модели. При моделировании сигналов прибора задаются значения УЭС, типичные для отложений Западной Сибири: УЭС глин составляет 3,5 Омм, УЭС нефтенасыщенного песчаника -10 Омм. УЭС бурового раствора - 1 Омм.
Первой рассматривается модель, в которой скважина пересекает наклонную границу двух слоев с разным УЭС. При достаточном контрасте УЭС слоев на имидже выделяется их граница, что позволяет определить геометрию напластования. Для интерпретации полученных имиджей (рис. 3) используется тра-
Рис. 2. Микроимиджер УЭС в наклонной скважине, проведенной в горизонтально-слоистой среде
диционная методика, описанная в [14]. Рассчитанные по имиджам значения углов падения соответствуют модельным в пределах абсолютной погрешности ±2°. Определение структурных углов по имиджам - это один из основных методов, используемых при геонавигации траектории скважины в процессе бурения. Данные прибора при помощи гидравлической телеметрической системы в масштабе реального времени передаются на поверхность, где геонавигатор, интерпретируя получаемые имиджи, принимает решения о корректировке траектории скважины. Кроме того, определение геометрии напластования может быть использовано в седиментологическом и текстурном анализе, а также в фа-циальном моделировании.
Рис. 3. Геоэлектрическая модель и имидж, полученный по результатам моделирования: пересечение скважиной наклонной границы пластов разного УЭС, зеленой линией показано отображение границы слоев на имидже
Второй рассматривается геоэлектрическая модель среды, в которой скважина пересекает тонкий низкоомный пропласток, находящийся в высокоомной породе, или узкую проницаемую трещину: после вскрытия трещина заполняется проводящим буровым раствором, что позволяет выделять ее на имидже УЭС и определить ее геометрию. Полученные в результате моделирования данные (рис. 4) показывают высокую разрешающую способность микроимиджера: прибор способен выявлять тонкие пропластки мощностью сравнимой с диаметром токового электрода Аь. Определение трещин на имиджах помогает при выявлении разуплотненных участков горных пород, при этом геометрия трещин несет в себе информацию о напряженно-деформированном состоянии вблизи скважины.
Третьей рассматривается геоэлектрическая модель среды, в которой скважина пересекает каверну, находящийся в высокоомной породе. Аналогично предыдущему случаю с трещиной, после вскрытия каверна заполняется проводящим буровым раствором, что позволяет выделять ее на имидже УЭС. На полученном имидже (рис. 5) выделяется область с пониженным кажущимся УЭС, соответствующая положению каверны на стенке скважины, при этом размер
аномалии соответствует диаметру каверны. Микроимиджеры УЭС традиционно используются для выявления каверн в карбонатных резервуарах. Вторичная пористость может составлять значительную часть общей пористости, особенно в карбонатных коллекторах, поэтому выделение кавернозных интервалов помогает точнее оценить объем флюида, содержащегося в породе.
Рис. 4. Геоэлектрическая модель и имидж, полученный по результатам
моделирования: пересечение тонкого пропластка (трещины), зелеными линиями показано отображение границ пропластка на имидже
Рис. 5. Геоэлектрическая модель и имидж, полученный по результатам моделирования: пересечение скважиной каверны, заполненной проводящим раствором, зеленой линией показано отображение границ каверны на имидже
По результатам проведенных исследований можно сделать следующий вывод. Разрабатываемый LWD-микроимиджер УЭС обладает высокой разрешающей способностью, достаточной для применения с целью выявления как тонких прослоев и трещин, так и мелких текстурных особенностей, каверн.
Несмотря на то, что LWD-микроимиджеры УЭС появились на мировом рынке полтора десятилетия назад, в России подобных приборов до сих пор не производят. Развитие приборной базы LWD является необходимым направлением по снижению зависимости российского топливно-энергетического комплекса от импорта оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ritter N., Chemali R., Lofts J. et al. High resolution visualization of near wellbore geology using while-drilling electrical images // SPWLA 45th Annual Logging Symposium. - Noordwijk, The Netherlands, 2004. Paper PP.
2. Ortenzi L., Dubourg I., Os R. et al. New azimuthal resistivity and high-resolution imager facilitates formation evaluation and well placement if horizontal slim boreholes // SPWLA 52nd Annual Logging Symposium. - Colorado Springs, Co, USA, 2011. Paper LLL.
3. Saify A. LWD Sine Wave image logging advances: utilizing the latest technology of highresolution images acquired in highly conductive mud in horizontal hole // Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference. - UAE, 2014. Paper SPE-171708-MS.
4. Prammer M., Morys M., Kizhnik S. et al. Field testing of an advanced LWD imaging resistivity tool. SPWLA 48th Annual Logging Symposium. - Austin, Texas, USA, 2007. Paper AA.
5. Глинских В. Н., Никитенко М. Н., Даниловский К. Н., Еремин В. Н., Москаев И. А. Телеметрические системы каротажа: программно-методическое обеспечение в процессе бурения наклонного-горизонтальных скважин // Neftegaz.RU. - 2017. - № 10. - С. 42-49.
6. Еремин В. Н., Волканин Ю. М., Тарасов А. В. Аппаратурно-методическое обеспечение электромагнитного каротажа в процессе бурения // Каротажник. - 2013. - № 226. -С. 62-69.
7. Каюров К. Н., Еремин В. Н., Эпов М. И., Глинских В. Н., Сухорукова К. В., Ники-тенко М. Н. Аппаратура и интерпретационная база электромагнитного каротажа в процессе бурения // Нефтяное хозяйство. - 2014. - № 12. - С. 112-115.
8. Эпов М. И., Глинских В. Н., Сухорукова К. В., Никитенко М. Н., Еремин В. Н. Численное моделирование и инверсия данных электромагнитного каротажа в процессе бурения и шаблонирования нефтегазовых скважин // Геология и геофизика. - 2015. - № 56(8). -С. 1520-1529.
9. Эпов М. И., Никитенко М. Н., Глинских В. Н., Сухорукова К. В. Численное моделирование и анализ сигналов электромагнитного каротажа в процессе бурения // Каротажник. -2016. - № 245. - С. 29-42.
10. Эпов М. И., Никитенко М. Н., Сухорукова К. В., Глинских В. Н. Исследование возможностей электрического и электромагнитного каротажа в электрически макроанизотроп-ных пластах, вскрытых наклонно-горизонтальными скважинами // Каротажник. - 2016. -№ 260. - С. 64-79.
11. Эпов М. И., Никитенко М. Н., Глинских В. Н., Еремин В. Н. Изучение электрической макроанизотропии интервалов наклонно-горизонтальных скважин по данным высокочастотного индукционного каротажа в процессе бурения // Каротажник. - 2016. - № 269. -С. 94-109.
12. Nikitenko M. N., Epov M. I., Glinskikh V. N., Suhorukova K. V., Eremin V. N. Development of LWD High-frequency Resistivity Tool // 6th Saint Petersburg International Conference & Exhibition «Geosciences - Investing in the Future». - Saint Petersburg, 2014. ThD05.
13. Глинских В. Н., Никитенко М. Н., Эпов М. И., Еремин В. Н. Алгоритмы и программное обеспечение для геонавигации по данным электромагнитного каротажа в процессе бурения // 2-я научно-практическая конференция «Горизонтальные скважины 2017: Проблемы и перспективы». - Казань, 2017. 3G05.
14. Bittar M., Chemali R., Morys M., Wilson J., Hveding F., Li S., Knizhnik S. The "Depth-of-Electrical Image" a key parameter in accurate dip computation and geosteering // SPWLA 55th Annual Logging Symposium. - Edinburgh, Scotland, 2008. Paper TT.
REFERENCES
1. Ritter N., Chemali R., Lofts J. et al. High resolution visualization of near wellbore geology using while-drilling electrical images // SPWLA 45th Annual Logging Symposium. - Noordwijk, The Netherlands, 2004. Paper PP.
2. Ortenzi L., Dubourg I., Os R. et al. New azimuthal resistivity and high-resolution imager facilitates formation evaluation and well placement if horizontal slim boreholes // SPWLA 52nd Annual Logging Symposium. - Colorado Springs, Co, USA, 2011. Paper LLL.
3. Saify A. LWD Sine Wave image logging advances: utilizing the latest technology of highresolution images acquired in highly conductive mud in horizontal hole // Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference. - UAE, 2014. Paper SPE-171708-MS.
4. Prammer M., Morys M., Kizhnik S. et al. Field testing of an advanced LWD imaging resistivity tool. SPWLA 48th Annual Logging Symposium. - Austin, Texas, USA, 2007. Paper AA.
5. Glinskih V. N., Nikitenko M. N., Danilovskij K. N., Eremin V. N., Moskaev I. A. Telemetricheskie sistemy karotazha: programmno-metodicheskoe obespechenie v processe bureniya naklonnogo-gorizontal'nyh skvazhin // Neftegaz.RU. - 2017. - № 10. - S. 42-49.
6. Eremin V. N., Volkanin Yu. M., Tarasov A. V. Apparaturno-metodicheskoe obespechenie elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya // Karotazhnik. - 2013. - № 226. - S. 62-69.
7. Kayurov K. N., Eremin V. N., Epov M. I., Glinskih V. N., Suhorukova K. V., Nikitenko M. N. Apparatura i interpretacionnaya baza elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya // Neftyanoe hozyajstvo. - 2014. - № 12. - S. 112-115.
8. Epov M. I., Glinskih V. N., Suhorukova K. V., Nikitenko M. N., Eremin V. N. Chislennoe modelirovanie i inversiya dannyh elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya i shablonirovaniya neftegazovyh skvazhin // Geologiya i geofizika. - 2015. - № 56(8). - S. 15201529.
9. Epov M. I., Nikitenko M. N., Glinskih V. N., Suhorukova K. V. Chislennoe modelirovanie i analiz signalov elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya // Karotazhnik. - 2016. - № 245. -S. 29-42.
10. Epov M. I., Nikitenko M. N., Suhorukova K. V., Glinskih V. N. Issledovanie vozmozhnostej elektricheskogo i elektromagnitnogo karotazha v elektricheski makroanizotropnyh plastah, vskrytyh naklonno-gorizontal'nymi skvazhinami // Karotazhnik. - 2016. - № 260. - S. 64-79.
11. Epov M. I., Nikitenko M. N., Glinskih V. N., Eremin V. N. Izuchenie elektricheskoj makroanizotropii intervalov naklonno-gorizontal'nyh skvazhin po dannym vysokochastotnogo indukcionnogo karotazha v processe bureniya // Karotazhnik. - 2016. - № 269. - S. 94-109.
12. Nikitenko M. N., Epov M. I., Glinskikh V. N., Suhorukova K. V., Eremin V. N. Development of LWD High-frequency Resistivity Tool // 6th Saint Petersburg International Conference & Exhibition «Geosciences - Investing in the Future». - Saint Petersburg, 2014. ThD05.
13. Glinskih V. N., Nikitenko M. N., Epov M. I., Eremin V. N. Algoritmy i programmnoe obespechenie dlya geonavigacii po dannym elektromagnitnogo karotazha v processe bureniya // 2-ya nauchno-prakticheskaya konferenciya «Gorizontal'nye skvazhiny 2017: Problemy i perspektivy». - Kazan', 2017. 3G05.
14. Bittar M., Chemali R., Morys M., Wilson J., Hveding F., Li S., Knizhnik S. The "Depth-of-Electrical Image" a key parameter in accurate dip computation and geosteering // SPWLA 55th Annual Logging Symposium. - Edinburgh, Scotland, 2008. Paper TT.
© К. Н. Даниловский, В. Н. Глинских, О. В. Нечаев, 2018
