Аппаратура "ВИКИЗ"

Введение

 

Огромные по масштаб нефтепромысловые работы на территории Западной Сибири, выполненные к концу 70-х годов, дали обширный материал, на основе которого были созданы соответствующие геологические  модели. Всё большее усложнение геоэлектрических разрезов, связанное  с необходимость  вовлечения в разработку продуктивных   пластов малой мощности, и высокие  темпы бурения требовали новых  технологичных и экономически эффективных  средств измерения электрических  свойств пород. Метод “ВИКИЗ”  удовлетворяет всем поставленным задачам  и позволяет решать задачи электрокаротажа за одну спускоподъёмную операцию при эксплуатационном бурении на нефтегазоносных месторождениях.

Метод “ВИКИЗ” обладает высокой  радиальной и вертикальной разрешающей  способностью. Позволяет выделять пласты коллектора с высоким расчленением разреза по электрическим свойствам  в промытой зоне, зоне проникновения  и в неизменной части пласта. За одну спускоподъёмную операцию возможно регистрировать шесть характеристик среды, пять из которых несут информацию об электрическом сопротивлении пород на различном расстоянии от оси скважины вглубь пласта, а шестая – потенциал самопроизвольной поляризации.

Также по результатам обработки  данных ВИКИЗ возможно получение  следующих характеристик разреза:

- коэффициент нефтенасыщенности;

- коэффициент эффективной пористости;

- подвижность нефти в пластах;

- численные значения УЭС.

Решаемые задачи:

- визуальная экспресс-оценка характера флюидонасыщения;

-  выделение коллекторов с расчетом эффективной мощности;

-  определение УЭС от скважины до незатронутой проникновением части пласта;

-  индикация и определение характеристик окаймляющей зоны;

-  поиск водонефтяных, газоводяных контактов, а также переходных зон.

Уникальность данного метода заключается  в разработке принципиально новых  подвижных скважинных устройств - зондов. Все пять зондов размещены в едином корпусе и позволяют измерять относительные характеристики электромагниных полей (разность фаз или амплитуд), также применение подобных зондов и размещение зондовых элементов в соответствии с коэффициентом подобия и использование принципа частотно-геометрического подобия. В данной работе более подробно рассматривается метод “ВИКИЗ”, зонды “ВИКИЗ” и их принцип действия, интерпретация диаграмм “ВИКИЗ” и преимущества перед другими методами электрокаротажа.

 

1 Физические основы ВИКИЗ

 

Метод ВИКИЗ является модификацией метода ВЭМК (высокочастотный электромагнитный каротаж), только в нём в отличии от ВЭМК применяется рабочий диапазон частот от 0,875 до 14 МГц (в ВЭМК -  до 800 кГц). Он, как и все электромагнитные методы к которым применяется индукционный подход, основан на возбуждении в породе переменного электромагнитного поля и измерении ЭДС, индуцированной в приёмной катушке зонда.

Зонд ВИКИЗ состоит из 2-х измерительных катушек и одной генераторной. Переменный ток, протекающий в генераторной катушке, создаёт переменное  электромагнитное поле, индуцирующее вихревые токи в среде. Их сила тем больше, чем больше проводимость среды. Поле, образуемое в области измерительных катушек, есть сумма полей создаваемое генераторной катушкой (первичное поле) и поле индуцируемое вихревыми токами (вторичное). Напряженность вторичного поля зависит от сила вихревых токов и характеризуется проводимостью горных пород. Первичное поле не несёт информацию о горных породах и его компенсируют (исключают).

В методе ВИКИЗ измеряется относительные  характеристики электромагнитного  поля Dj - разность фаз.

 

Dj=j₁-j₂=Dp-arctg(Dp/1+p₁+p₂+2p₁p₂), где                           (1.1)

 

Dр=р₁-р₂ - безразмерный параметр;

 

р=z/z₀=z/d=zgmw/2=zf×g×4p10^-7, где                       (1.2)

 

26. длина зонда; d=z₀ - толщина скин-слоя, определяемая частотой возбуждающего поля  f=w/2pи электропроводностью g, (m=4p10^-7).

Скин-слой - это слой толщиной L, в котором поле затухает в е раз. L=1/b, где b-коэффициент поглощения b=we_am_a/2   1+s²/(w²e_a²)-1 (e_{a и} m_a-соответственно абсолютные электрическая и магнитная проницаемости;s-удельная электрическая проводимость). Скорость, длина и затухание электромагнитной волны в среде зависит от  частоты w. Меняя частоту, и соответственно, коэффициент поглащения b, удаётся изменить глубину проникновения L, что и используется в данном методе. Чем больше проводимость, тем больше поглощение и изменение фазы на единицу длины.

Принципы изопараметричности зондов ВИКИЗ:

1. Одноимённые элементы зондов имеют геометрически подобное расположение - условие геометрической изопараметричности.
2. Отношение рабочих частот любой пары зондов обратно пропорционально квадрату их коэффициента - условие частотной изопараметричности (f₁/f₂=1/(z₁/z₂)²), где f_1,f₂- частоты зондов; z₁,z₂ -длины зондов.
3. Отношение произведении моментов генераторной и измерительной катушек любой пары зондов равно кубу их коэффициента подобия - условие изопараметричности магнитных моментов(n₁/n₂=(z₁/z₂)³). При измерении разности фаз достаточно первых двух условий.

Ниже на графике видно, как изменяются расстояния между измерительными катушками, измерительными и генераторными, с  последовательным уменьшением длины  зондов и  увеличением рабочих  частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессу  увеличения длины соответствует  одновременное снижение рабочих  частот и, наоборот. С уменьшением  длины зонда глубинность исследования уменьшается, но одновременное увеличение частоты сопровождается известным физическим явлением - уменьшением глубины проникновения высокочастотных токов в среду. Чем выше электропровоность и частота, тем в меньшем объёме вблизи зонда концентрируются индуцируемые токи. С увеличением длины зонда возрастает вклад в измеряемые характеристики поля удаленных участков среды. Этот эффект усиливается за счёт одновременного уменьшения рабочих частот, т.е. увеличения проникновения индуцируемых токов в среде. При этом токи в среде распределяются во всём большем объёме, снижая детальность исследования радиальных неоднородностей. Ослабление влияния параметров скважины достигается благодаря регистрации относительных характеристик поля. 

Связь “водонасыщение - разность фаз”. Удельное сопротивление в переходной зоне р_п на удалении h от водонасыщенной части пласта с удельным сопротивлением р_ВП определяется из следующего выражения:

 

р_П=р_ВП+(Dр/Dh)h,                        (1.3)

 

Dp/Dh-вертикальный градиент сопротивления.

 

Согласно уравнению Арчи, можно  установить для коэффициента водонасыщения  К_В следующую связь с р_ВП и р_П:

 

К_В=(р_ВП)^0.5[(1/p_П)^0.5],           (1.4)

 

Заменив р_П его выражением (3), получим:

 

К_В=(1+h)^-0.5.           (1.5)

 

Здесь h=(Dр/Dh)(h/р_ВП) - безразмерный параметр, отражающий интенсивность уменьшения водонасыщенность коллектора в переходной зоне.

Измеряемая разность фаз Dj в однородной среде связана с её удельным сопротивлением см. Выражение (1). Здесь р₁ и р₂ - безразмерные параметры, равные отношению соответствующей длины зонда к толщине скин- слоя. р₁=I₁[(1/р_П)^0,5] и р₂=I₂[(1/р_П)^0,5], где I₁ и I₂изопараметры зондов. Из этого можно сделать вывод, что Dj функционально связана с удельным сопротивлением пласта также, как и коэффициент водонасыщения:

 

Dj=F[(1/p_П)^0,5].          (1.6)

 

Учитывая коэффициент водонасыщенности, определенный из функциональной связи (6) , позволяет по известной зависимости определить долю нефти в поровом пространстве коллектора К_Н=1-К_В/  /.

Сочетание принципа частотно-геометрческого зондирования, высокочастотного возбуждения и измерение относительных характеристик, позволило согласовать два важных требования :  повышение вертикального разрешения при сохранении приемлемой радиальной глубинности.

 

1.1 Основные геолого-геофизические задачи, решаемые методом ВИКИЗ

 

Метод высокочастотных индукционных каротажных изопарометрических зондирований предназначен для пространственного распределения удельного электрического сопративления пород, вскрытых скважинами, бурящимся на нефть и газ.

Использование метода ВИКИЗ позволяет  решать следующие задачи ГИС:

- расчленение разреза, в том числе тонкослоистого, с высоким пространственным разрешением;

- оценка положения водонефтяных  и газоводяных контактов;

- определение УЭС неизменной  части пласта, зоны проникновения  фильтрата бурового раствора  с оценкой глубины вытеснения  пластовых флюидов;

- выделение и оценка параметров  радиальных неоднородностей в  области проникновения, в том  числе скоплений соленой пластовой  воды («окаймляющие зоны»), как прямого  качественного признака присутствия  подвижных углеводородов в коллекторах.

Решаемые задачи в вертикальных скавжинах:

- визуальная экспресс-оценка характера флюидонасыщения;

-  выделение коллекторов с расчетом эффективной мощности;

-  определение УЭС от скважины до незатронутой проникновением части пласта;

-  индикация и определение характеристик окаймляющей зоны;

-  поиск водонефтяных, газоводяных контактов, а также переходных зон.

Достоинством метода высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования является высокое пространственное разрешение, повышающее эффективность исследования маломощных пластов.

 

Основные характеристики:

 

Диапазон определения УЭС, Ом.м	1 -200
Вертикальная разрешающая способность, м: при определении истинной мощности пласта при определении сопротивления пласта	0,1 0,6
Минимальное УЭС бурового раствора, Ом.м	0,02
Диаметр скважины, м	0,12 – 0,3

 

В отличие от трехкатушечных зондов индукционного каротажа, в которых измеряются абсолютные значения сигналов на фоне скомпенсированного прямого поля, метод ВИКИЗ, базирующийся на измерении относительных фазовых характеристик, может использоваться для исследования в скважинах, заполненных сильнопроводящим (УЭС менее 0,5 Ом*м) буровым раствором.

Результаты интерпретации диаграмм ВИКИЗ в комплексе с данными  других методов ГИС и петрофизической  информацией позволяет определять коэффициент нефтегазонасыщения, литологию терригенного разреза, оценивать неоднородность коллекторских свойствна интервалах пористо-проницаемых пластов, выделять интервалы уплотненных песчаников с карбонатными или силикатным цементом и др.

 

1.2 Общие ограничения электромагнитных  методов каротажа

 

Применение методов индукционного  и электромагнитного каротажа должно предваряться оценкой их возможностей в конкретных геоэлектрических ситуациях. Общей основой всех ограничений  является несоответствие моделей реальному  строению и физическим характеристикам геологической среды, а также наличие погрешностей при реальных измерениях в скважинах. При использовании индукционного возбуждения поля в среде и приема сигналов наибольшие ограничения связаны с изучением плохопроводящих геологических отложений. Наличие высокоомных пород приводит к уменьшению измеряемого сигнала, соответствующему возрастанию отношения шум/сигнал и относительной погрешности измерений. При инверсии таких данных относительные погрешности определения параметров возрастают настолько, что результат становится неопределенным.

Рассмотрим простой пример. Достигнутая в настоящее время  в аппаратуре абсолютная точность измерения разности фаз составляет примерно 0,5°. Сигнал в однородной среде при УЭС, равном 300 Ом-м, составляет 0,77° (т.е. относительная погрешность равна примерно 0,65). Коэффициент усиления ошибки при пересчете в кажущееся сопротивление в этом случае составляет 1,11. Следовательно, сопротивление однородной среды будет определяться с относительной погрешностью 0,72 и интервалом неопределенности (300 ± 216) Ом-м.

Неблагоприятным для применения ВИКИЗ является сочетание сильнопроводя- щего бурового раствора (менее 0,01 Ом-м), широкой зоны проникновения с низким УЭС и высокоомного пласта. Для примера оценим возможность определения сопротивления газового пласта (р_п=50 Ом-м) при наличии понижающего проникновения (р_зп=0,2 Ом-м, г_зп=0,7 м) и при сопротивлении бурового раствора р_с= 0,005 Ом-м. Будем полагать, что относительные ошибки измерения составляют 0,03. Средний коэффициент усиления ошибки для инверсии составляет 22,1. Следовательно, относительная погрешность определения УЭС пласта будет около 0,66, что соответствует интервалу неопределенности (17—83) Ом-м.

Аналогичные проблемы по достоверному определению УЭС пласта возникают при широких (сравнимых с длиной зонда) зонах проникновения пониженного сопротивления.

 

2 Аппаратура ВИКИЗ

 

Аппаратура ВИКИЗ обеспечивает измерение разностей фаз между  э.д.с., наведенными в измерительных катушках пяти электродинамически подобных трехкатушеч- ных зондов, и потенциала самопроизвольной поляризации ПС.

Габаритные размеры скважинного прибора: диаметр - 0,073 м, длина - 4,0 м. Прибор состоит из зондового устройства, блока электроники и наземной панели.