УДК
550.83+621.396; 622.32
Способ
геофизических исследований нефтегазовых скважин на основе применения
электромагнитных сверхкоротких импульсов наносекундной длительности (прибор
СКИ)
Electromagnetic
Short Pulse Excited Tool – «EMSPE TOOL»
И.Г.Ярмахов, С.Б.Попов (РАН)
Электромагнитные
приборы со сверхкоротким импульсным возбуждением (СКИ-90 или «EMSPE-90
TOOL») приемно-передающих антенных устройств применяются для проводки
скважин сложного профиля и каротажа в открытых стволах нефтегазовых скважин. Прибор СКИ-90 является скважинным радаром,
передающее устройство которого излучает в околоскважинное пространство
направленный видеоимпульс (без несущей) длительностью примерно 1-3 наносекунды
(1-3 нс, 1 нс = 
с) с импульсной мощностью порядка 0,1-1 МВт.
Приемные
антенны скважинного электромагнитного радара (прибора СКИ-90, рис.1) регистрируют все типы волн (боковые,
отраженные, рефрагированные и др.), анализ которых с использованием времени
прихода волны данного типа и ее затухания, позволяет восстанавливать
распределение электродинамических параметров неоднородного пространства (т.е.
распределение диэлектрической проницаемости и электрической проводимости)
[1,2]. Глубина исследования в радиальном направлении околоскважинного пространства
составляет 1-3 м в скважинах с удельной электрической проводимостью промывочной
жидкости 0.1-10 См/м (в скважинах с проводимостью промывочной жидкости менее
0.1 См/м применяются приемно-передающие антенны другого типа).
Разрешающая способность прибора
EMSPE при исследовании характера неоднородности околоскважинного
пространства в заданном направлении не превышает 10 см благодаря применению
сверхкоротких импульсов наносекундной длительности.
Рис.1. Схема прибора СКИ для
MWD/LWD измерений.
Предлагаются две основные
модификации приборов СКИ:
1)
Прибор
СКИ для проводки скважин сложного профиля с целью определения расстояния до
кровли пласта и до границ ВНК, ГВК (MWD/LWD измерения);
2)
Прибор
СКИ для каротажа открытых стволов скважин с целью определения диэлектрической
проницаемости и электрической проводимости в произвольном радиальном
направлении (азимутальное сканирование в плоскости перпендикулярной оси
скважины).
Основные
составляющие скважинного прибора СКИ-90:
1.
Наземный
модуль (НМ ) состоит из персонального компьютера и модема 9,6/115, который
предназначен для организации дуплексного канала связи между устройством
первичной обработки информации (УПОИ), входящим в состав скважинного модуля
(СМ) и ПК. Стыковые параметры НМ-Персональный компьютер стандартные (RS 232
со скоростью 115 Кбит).
2.
Скважинный
модуль прибора EMSPE-90 имеет наружный диаметр 90 мм, доставляется в
скважину на грузонесущем геофизическом
кабеле КГ3-67-180. СМ включает в свой состав: УПОИ, устройство передающее,
приемное устройство УПОИ, плата обработки сигнала, аналого-цифровой
преобразователь.
3.
Питание
и обмен информацией СМ с поверхностью обеспечиваются по 3-х
жильному грузонесущему кабелю КГ3-67-180. Для передачи сигналов и данных
используются два провода. На вход платы источника питания СМ подается
напряжение 12В±5%.
4.
Габариты
скважинного модуля:
диаметр
89/7
мм;
общая
длина 5,3
м
диапазон
рабочих температур, С° до +70
Аналогичных
скважинных приборов, основанных на применении сверхкоротких электромагнитных
импульсов большой мощности для возбуждения приемно-передающих антенных
устройств, в практике ГИС в России и за рубежом не существует [1-4]. В
2000-2001 г. прибор СКИ-90 изготовлен и выполнены его стендовые и скважинные
испытания на предприятиях ОАО «Газпром» (НПФ «Центргазгеофизика», г.Кимры).
Результаты
работ по этому направлению опубликованы И.Г.Ярмаховым (I.G.Iarmakhov) и С.Б.Поповым в
центральных научных журналах, Докладах Академии Наук, выпущена монография, а
также сделан ряд докладов на Международных конференциях Iternational Union of
Radio Science (URSI) и Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
(IEEE), SPWLA 2000 Symposium,
Специальная
конструкция передающих антенн [3] (см.
фрагмент на рис.2), к входным клеммам которых подключен мощный генератор
сверхкоротких импульсов, поддерживает бегущую волну тока с заданным затуханием
вдоль антенны и, кроме того, обеспечивает сохранение первоначальной временной
структуры этой бегущей волны. Благодаря этому в околоскважинное пространство
излучается короткий импульс с заданной временной структурой длительностью 1-3
нс. Передающие антенны обладают направленной диаграммой излучения, что
позволяет выполнять азимутальное сканирование околоскважинного пространства
путем вращения прибора около своей продольной оси.
Импульсное
напряжение на входе передающей антенны 
имеет вид: 
, где 
- амплитуда
напряжения, 
- заданная функция времени, отвечающая типичным
процессам возбуждения электромагнитного
поля, например, гауссов импульс вида
,
- параметр ширины
импульса, длительность импульса 
.
Центральная частота импульса
определяется согласно
условию 
(или 
, при этом 
спектральная
плотность напряжения на входе антенны: 
,
где 
, 
м/с скорость света в пустоте. В теоретических расчетах
волновых структур откликов на импульсное возбуждение среды время также
принимается в нормированной форме 
(м), чтобы установить
связь с технической единицей времени в наносекундах (1нс = 
с), применяется
соотношение 
(нс)=
(нс).
Рис.2. Ток на диполе с покрытием в двух точках z=0.0001m, z=0.1m от
антенного входа при возбуждении двухполярным
импульсом.
Результаты
математического моделирования показаний приборов СКИ в околоскважинных
пространствах с неоднородной зоной проникновения
А. Формирование зоны проникновения. В ходе бурения под действием перепада давления из
скважины в пласт поступает фильтрат глинистого раствора, причем соответствующее
количество его твердой фазы оседает на
стенке скважины и образует плотную, низко проницаемую корку. В общем случае ее
пористость и проницаемость зависят от перепада скважинного и пластового давлений
и физико-химического состава раствора [1,5].
Проникновение фильтрата в пласт
происходит через глинистую корку, увеличение толщины которой пропорционально
скорости фильтрации, и поскольку проницаемость корки на несколько порядков (
) ниже проницаемости пласта, то даже незначительная толщина
на стенке скважины существенно снижает как расход фильтрата, так и градиент
давления в пористой среде.
При формировании зоны проникновения
фильтрационное течение в околоскважинном пространстве является движением
многокомпонентной жидкости: пластовой воды, фильтрата раствора, нефти или газа.
Движение происходит в неоднородной пористой среде, состоящей из пласта и
глинистой корки, толщина которой меняется
в ходе фильтрации с неизвестной заранее скоростью, определяемой динамикой
процесса проникновения. Практический интерес представляет исследование влияния
различных технологических операций в скважине: спуско-подъемные работы, при
которых глинистая корка полностью срывается со стенок скважины, включения-выключения
циркуляционных насосов и влияние циркуляции промывочной жидкости. Все эти режимы учитываются в
представленных математических моделях динамики зоны проникновения. Формулировка
ряда проблем и методов решения задач подземной гидрогазодинамики и освоения
месторождений нефти и газа предложены в работах [1,5].
Основные особенности динамики
формирования зоны проникновения рассмотрим на примере радиальной фильтрации
вглубь пласта от оси скважины трехкомпонентной жидкости: нефть, фильтрат глинистого
раствора и подвижной компоненты начального водонасыщения пласта. Результаты
исследования данной гидродинамической модели затем применяются для расчета
распределения удельного электрического сопротивления в околоскважинном
пространстве и его анализа с применением электромагнитных приборов СКИ, которые
позволяют исследовать распределение в околоскважинной зоне значений
диэлектрической проницаемости и электрической проводимости.
Таким образом, применение приборов СКИ существенно
обобщает одновременное применение двух различных методов каротажа –
диэлектрического и индукционного. Обобщение заключается в том, что приборы СКИ
не только позволяют исследовать распределение в околоскважинной зоне значений
диэлектрической проницаемости и электрической проводимости, но обладая
азимутальной направленностью диаграммы направленности излучения, дают
электрические параметры в заданном направлении в плоскости, перпендикулярной
оси скважины.
Б. Исследование
волновых полей в неоднородных околоскважинных пространствах.
На
рис.3 показана зависимость амплитуды волнового поля от времени на приемной
антенне скважинного прибора СКИ для двух типов распределения удельного
сопротивления в зоне проникновения фильтрата промывочной жидкости. На рис.3а
(см. фрагмент с 
) электрические параметры в зоне проникновения плавно
уменьшаются от значений диэлектрической проницаемости в промытой зоне 
= 20, электрической
проводимости 
= 0.05 См/м до
значений 
= 5, 
= 0.0125 См/м в
незатронутой части пласта. На рис.3б
(см. фрагмент с 
) показан противоположный характер изменения электрических
параметров в зоне проникновения.
На
этих рисунках первые три амплитуды наибольшей величины соответствуют боковой
волне от источника в точку приема, последующие монотонно спадающие амплитуды
отвечают отраженному импульсу от неоднородностей в зоне проникновения. Эти
отраженные импульсы меняют полярность при повышении электрической проводимости,
рис. 3(б) (т.к. тангенциальная
компонента электрического поля 
при отражении от более проводящего элемента меняет свою
полярность) и кроме того их амплитуды плавно спадают, что является признаком
непрерывного характера изменения электрической проводимости в зоне
проникновения.
а)
б)
Рис.3
Амплитуда волнового поля в зависимости от времени (Poithed) в точке приема 
от диполя,
возбуждаемого Гауссовым импульсом (
). Неоднородная зона проникновения: а) 
=20, 
=0.05С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=5, 
=0.0125С/м (незатронутый пласт), б) 
=5, 
=0.0125С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=20, 
=0.05С/м (незатронутый пласт).
На рис.4 показана зависимость
амплитуды волнового поля от времени на приемной антенне скважинного прибора СКИ
для двух типов распределения удельного сопротивления в зоне проникновения
фильтрата промывочной жидкости. На рис.4а (см. фрагмент с 
) электрические параметры в зоне проникновения плавно уменьшаются
от значений диэлектрической проницаемости в промытой зоне 
= 20, электрической
проводимости 
= 0.05 См/м до
значений 
= 5, 
= 0.0125 См/м в
незатронутой части пласта.
Рис.4б
отвечает проникновению в нефтеносный (газоносный) пласт с электрофизическими
параметрами в зоне проникновения, вычисленными на основе применения двухфазной
трехкомпонентной теории фильтрации [5]. Волновое поле и соответствующий фрагмент с зоной проникновения на рис. 4б
соответствуют проникновению с образованием окаймляющей зоны, в которой область
скачка с повышенной электропроводностью 
= 0.1 См/м располагается при
0.66 м 
1 м (см.фрагмент рис4б).
Сравнение волновых полей на рис. 4а и 4б показывает сильное влияние окаймляющей
зоны на характер волнового поля. Амплитуда волны отвечающая времени прихода 
м на приемное устройство соответствует отражению импульса от
скачка окаймляющей зоны. Время прихода и амплитуда этой отраженной волны дают
расстояние и толщину скачка, что позволяет уточнять коллекторские параметры
пласта [1,4].
а)
б)
Рис.4.
Амплитуда волнового поля в зависимости от времени (Poithed) в точке приема 
от диполя,
возбуждаемого Гауссовым импульсом (
). Неоднородная зона проникновения: а) 
=20, 
=0.05С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=5, 
=0.0125С/м (незатронутый пласт), б) при наличии окаймляющей
зоны (ОЗ) 
=10.625-6.875, 
=0.1С/м. Кривая 2 соответствует однородному пласту с
параметрами промытой зоны 
=20, 
=0.05С/м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конструкция приемно-передающих антенн скважинного прибора (скважинного радара) со сверхкоротким электромагнитным импульсным возбуждением наносекундной длительности (СКИ-90) обеспечивает возможность азимутального сканирования околоскважинного пространства в плоскости, перпендикулярной к оси скважины. Это обусловлено диаграммой направленности излучения в полупространство передающей антенны прибора, благодаря взаимодействию тока вдоль этой антенны с металлическим корпусом прибора, погруженного в промывочную жидкость с электрической проводимостью порядка 1С/м.
Приемные антенны скважинного электромагнитного радара СКИ-90 регистрируют все типы волн (боковые, отраженные, рефрагированные и др.). Анализ временной структуры поля с учетом момента прихода волны данного типа, ее затухания и поляризации, позволяет восстанавливать распределение электродинамических параметров неоднородного околоскважинного пространства (т.е. распределение диэлектрической проницаемости и электрической проводимости). Глубина исследования в радиальном направлении околоскважинного пространства составляет 1-3-5 м в зависимости от проводимости промывочной жидкости.
Список литературы
1.
Дворецкий П.И., Ярмахов И.Г. Электромагнитные и гидродинамические
методы при освоении нефтегазовых месторождений. –М.: Недра, 1998.-318 с.
2. Ярмахов И.Г. //Отчет
Газпрома по договору №6056-00-3. –М.-
2000.
3. И.Г.Ярмахов Импульсное (наносекундной длительности)
возбуждение металлического цилиндра с тонким покрытием в сильно поглощающих
средах// Радиотехника и Электроника. -2004.- Том 49. -№ 4.- С.411-420.
4. I.G.Iarmakhov, P.I.Dvoretzki. New Electromagnetic Pulse-Excited Tools
for MWD/LWD Measurements// Proc. 41 st Annual Logging Symposium SPWLA, Dallas,
Texas.-2000.- June 4 –7.
5. И.Г.Ярмахов, С.Б.Попов.
Комплексный метод гидродинамики околоскважинных пространств и индукционного
(диэлектрического) каротажа при изучении нефтегазовых скважин// Каротажник.-
2003.- Вып.110.- С.63-83.
Подписи к рисункам
Рис.1. Схема прибора СКИ для LWD/MWD измерений.
Рис.2. Ток на диполе с покрытием в двух точках z=0.0001m, z=0.1m от
антенного входа при возбуждении двухполярным
импульсом.
Рис.3.
Амплитуда волнового поля в зависимости от
времени в точке приема 
от диполя,
возбуждаемого Гауссовым импульсом (
). Неоднородная зона проникновения: а) 
=20, 
=0.05С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=5, 
=0.0125С/м (незатронутый пласт), б) 
=5, 
=0.0125С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=20, 
=0.05С/м (незатронутый пласт).
Рис.4.
Амплитуда волнового поля в зависимости от времени в точке приема 
от диполя,
возбуждаемого Гауссовым импульсом (
). Неоднородная зона проникновения: а) 
=20, 
=0.05С/м (вблизи стенки скважины 
), 
=5, 
=0.0125С/м (незатронутый пласт), б) при наличии окаймляющей
зоны (ОЗ) 
=10.625-6.875, 
=0.1С/м. Кривая 2 соответствует однородному пласту с
параметрами промытой зоны 
=20, 
=0.05С/м.
Ключевые слова