Высокочастотный электромагнитный каротаж в наклонных и горизонтальных скважинах: сигналы и методические особенности численной интерпретации данных

Горбатенко Алексей Александрович; Сухорукова Карина Владимировна

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАРОТАЖ В НАКЛОННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ: СИГНАЛЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ

Алексей Александрович Горбатенко

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 6030090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга 3, аспирант лаборатории скважинной геофизики, тел. (393)383-330-79-47, e-mail: gorbatenkoaa@ipgg. sbras.ru

Карина Владимировна Сухорукова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 6030090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга 3, старший научный сотрудник лаборатории скважинной геофизики, тел. (383)330-49-52, e-mail: suhorukovakv@ipgg. sbras.ru

В статье рассматриваются диаграммы высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования в субгоризонтальных скважинах. На синтетических примерах показаны возможности инверсии данных ВЭМКЗ в горизонтально-слоистой среде, пересеченной наклонной скважиной.

Ключевые слова: высокочастотное электромагнитное каротажное зондирование, наклонные скважины, численная инверсия, невязка.

HIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC LOGGING IN DEVIATED AND HORIZONTAL WELLS: SIGNALS AND METHODOLOGICAL FEATURES OF NUMERICAL INTERPRETATION

Alexey A. Gorbatenko

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 6030090, Russia, Novosibirsk, pr. Koptuga 3, graduate student, laboratory of well logging geophysics, tel. (383)330-79-47, e-mail: gorbatenkoaa@ipgg.sbras.ru

Karina V. Suhorukova

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 6030090, Russia, Novosibirsk, pr. Koptuga 3, senior researcher, laboratory of well logging geophysics, tel. (383)330-49-52, e-mail: suhorukovakv@ipgg. sbras.ru

The article describes diagrams of high-frequency electromagnetic logging in subhorizontal wells. Capabilities of inversion are shown on examples of VEMKZ data in a horizontally layered medium, crossed by deviated well.

Key words: high-frequency electromagnetic logging, deviated well, numerical inversion, discrepancy.

При решении обратной задачи электромагнитного каротажа широко применяются алгоритмы минимизации невязки [1]. Для инверсии данных высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ) в наклонной или горизонтальной скважине в качестве функции невязки традиционно используется средневадратическое отклонение рассчитанного сигнала от измеренного, нормированное на погрешность измерения:

1 N1

АфГ -АФП 5Аф”2

Здесь N - число отсчетов по скважине, Афг- - измеренный сигнал, 5Афг- -погрешность его измерения, Аф - сигнал, рассчитанный в слоистой однородной среде, т - индекс зонда.

В процессе инверсии невязка рассчитывается для каждого зонда. Она показывает меру отклонения значений измеренного сигнала от сигнала, рассчитанного в геоэлектрической модели геологической среды. Чем меньше значения невязки, тем меньше различие между синтетическим и измеренным в скважине сигналами. Большая невязка указывает на несоответствие модели измеренным данным. Значение меньше единицы говорит от том, что разница между синтетическим и реальным сигналами в среднем не превышает погрешности измерения. Однако стоит помнить, что из этого не следует правильность выбранной модели, реальная среда может иметь строение, существенно отличающееся от рассматриваемой модели, но при этом ее отклик может быть идентичен синтетическому сигналу.

У невязки может быть несколько локальных минимумов в пространстве параметров модели, и некоторые алгоритмы инверсии выбирают в качестве решения один из них, который может не совпадать с наилучшим приближением. Поведение невязки зависит от характеристик зонда, сложности геоэлектрической модели и ее соответствия исследуемой среде и определяет качество численной интерпретации. Область эквивалентности решений (которым соответствуют значения невязки ниже пороговой величины) определяет диапазоны изменения искомых параметров, которые могут быть получены при решении обратной задачи.

Ниже в двухслойной модели рассматриваются невязки, построенные для сигналов зондов длиной 1,4 и 2 м. Использование сигналов длинных зондов позволяет взять в качестве основы для анализа и инверсии прямую задачу расчета сигнала наклонного зонда в горизонтально-слоистой среде [1, 3], так как эти сигналы практически не подвержены влиянию скважины, эксцентриситета прибора, каверн и проникновения бурового раствора в пласт [2]. Траектория скважины во всех моделях является прямой линией с зенитным углом 85°. Шаг по скважине составлял 1 м. Роль «измеренных» данных играли численно смоделированные сигналы ВЭМКЗ, на которые был наложен случайный шум в диапазоне [-0,2°;+0,2°] для разности фаз и [-0,02;+0,02] для отношения амплитуд.

Модель представлена двухслойной средой с однородными изотропными пластами, удельное электрическое сопротивление (УЭС) верхнего составляет 4 Ом-м, нижнего - 15 Ом-м (рис. 1). Разность фаз при пересечении границы уменьшается с 19,2° до 8,2, отношение амплитуд возрастает с 0,81 до 0,94. При этом на диаграмме разности фаз присутствует локальный минимум, соответствующий положению точки записи зонда на границе раздела пластов. Такие локальные экстремумы не свойственны диаграммам ВЭМКЗ в вертикальных

скважинах, они проявляются только при вскрытии пластов под острым углом и связаны с образованием зарядов на границе сред с разным УЭС.

Рис. 1. Разность фаз и отношение амплитуд в двухслойной среде

Рассмотрим два случая: в одном исследуемый профиль находится в верхнем полупространстве, а в другом - пересекает границу.

Если исследуемый профиль целиком находится в верхнем полупространстве (рис. 2), то УЭС верхнего слоя надежно определяется по значениям вдали от границы. В мощном пласте оно будет равно кажущемуся сопротивлению по длинному зонду. Поэтому здесь и в последующих примерах будем считать сопротивление верхнего слоя известным. Таким образом, задача состоит в том, чтобы определить положение границы и УЭС нижнего полупространства.

На рис. 2 показаны невязки для зондов длиной 1,4 и 2,0 м, получаемые при сравнении измеренного сигнала с сигналами множества двухслойных сред, с различными положением границы и УЭС нижнего полупространства. Как мож-

но заметить, невязки обоих зондов на рисунках имеют несколько локальных минимумов: по три в интервале УЭС нижнего пласта от 10 до 30 Ом-м со значениями меньше 1 и по одному - при УЭС нижнего слоя меньше 5 Ом-м со значениями от 4 до 8. Это означает, что УЭС нижнего слоя может быть определено в широком диапазоне (более 10 Ом-м для порогового значения невязки 1). При этом положение границы устанавливается с хорошей точностью в узком диапазоне (0.35-0.5 м).

Рис. 2. Профиль и значения невязки

Если скважина пересекает границу пластов, то эквивалентность решения обратной задачи будет существенно меньше по сравнению с предыдущим случаем. Когда верхний край исследуемого интервала находится на 2 м выше границы, а нижний - на 0,53 м ниже, невязка имеет только один минимум в пространстве искомых параметров. Полученные значения УЭС нижнего слоя и положения границы отличаются от заданных параметров модели в пределах допустимой погрешности (14,5-15,5 Ом-м, 0,51-0,55.м). На карте невязок зонда длиной 1,4 м наблюдается уменьшение невязки в области низких сопротивлений, однако на карте длинного зонда присутствует только один минимум, поэтом инверсия по двум зондам даст более точный результат.

Значения невязок для отношения амплитуд значительно ниже, чем для разности фаз, что связано с узким динамическим диапазоном этой характеристики сигнала. Относительная погрешность измерения отношения амплитуд оказывается настолько велика, что область возможных значений искомых параметров оказывается очень большой.

На примере нескольких типичных моделей коллектора показаны возможности восстановления параметров подстилающих пород, не вскрытых скважиной, по сигналам длинных зондов ВЭМКЗ. Для каждой модели можно установить диапазоны значений параметров, которые уменьшаются при увеличении количества зондов, участвующих в инверсии. Пересечение профилем границы приводит к существенному сужению областей эквивалентности параметров. Отношение амплитуд из-за узкого динамического диапазона не позволяет использовать эту характеристику для инверсии при имеющемся уровне погрешности измерения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Никитенко М.Н. Экспресс-интерпретация данных ВИКИЗ, полученных в наклонно -горизонтальных скважинах // Состояние и пути развития высокочастотного электромагнитного каротажа: Материалы научно-практической конференции. - Новосибирск: НИЦ ОИГ-ГиМ СО РАН, 1998. - С. 49-51

2. Горбатенко А.А., Вологдин Ф.В., Сухорукова К.В. Сигналы ВЭМКЗ в скважинах с высокопроводящим раствором: влияние неровностей стенки скважины и эксцентриситета зонда // Каротажник. - Тверь: Изд. АИС. 2013. - Вып. 224. - С. 54-64.

3. Epov M.I., Suhorukova C.V., Nikitenko M.N., Gorbatenko A.A., Arzhantsev V.S. Electromagnetic sounding in deviated and horizontal wells: mathematical modeling and real data interpretation// SPE Russian Oil & Gas Exploration & Production Technical Conference & Exhibition, Moscow, Russia 16-18th October 2012. Online library OnePetro (http://www.onepetro.org). - SPE Conference Paper 162034-MS. 18 pp.