Способ и устройство для определения удельного сопротивления формации, через которую проходит обсаженная скважина

1 Настоящее изобретение относится к определению удельного сопротивления геологических формаций, через которые проходит скважина, снабженная металлической обсадной колонной. Хорошо известно значение каротажа сопротивления для поиска нефти. Известно, что удельное сопротивление формации зависит,главным образом, от текущей среды, которую она содержит. Формация, содержащая соленую воду, которая является проводящей, имеет удельное сопротивление, намного меньшее удельного сопротивления формации, заполненной углеводородами, и поэтому измерения удельного сопротивления незаменимы при обнаружении месторождений углеводородов. Каротаж сопротивления осуществляют широко и в течение многих лет, в частности, посредством каротажной аппаратуры, имеющей электроды. Однако существующие способы применимы в области, которая ограничена скважинами, которые не обсажены или не закреплены обсадными трубами, как их называют согласно терминологии в нефтедобывающей промышленности. Наличие в скважине металлической обсадной колонны, имеющей удельное сопротивление,значение которого трудно сравнивать с типичными значениями для геологических формаций(примерно 210-7 Омм для стальной обсадной колонны по сравнению со значениями, находящимися в пределах от 1 до 1000 Омм, для формации), создает существенное препятствие для подачи электрических токов в формации, окружающие обсадную колонну. В результате, невозможно, в частности, осуществлять измерения удельного сопротивления в скважинах, которые находятся в эксплуатации, поскольку такие скважины снабжены обсадными колоннами. Поэтому весьма выгодно сделать возможным измерение удельного сопротивления на участках обсаженных скважин. Такие измерения, проводимые в скважине, находящейся в эксплуатации, на уровне залежи, сделают возможным обнаружение границ раздела водауглеводород и, следовательно, контроль изменения положений таких поверхностей с течением времени для контроля состояния коллектора углеводородов и оптимизации добычи из него. Кроме того, можно осуществлять измерение удельного сопротивления в скважине (или на участке скважины), для которой не проводились измерения до обсаживания, в частности, для дополнения сведений о пласте и, возможно, обнаружения продуктивных пластов, не обнаруженных первоначально. В литературе имеются предложения для решения этой проблемы. Основной принцип измерений, представленный в патенте США 2459196, заключается в побуждении тока протекать по обсадной колонне с тем, чтобы возникали утечки тока в формацию или происходило 2 ослабление тока в формации. Такое ослабление является функцией удельного сопротивления формации: чем более проводящей является формация, тем больше ослабление тока. Ослабление тока можно оценить путем измерения падения напряжения на электродах, расположенных в скважине на различных глубинах. В патенте США 2729784 описан способ измерения с использованием двух пар измерительных электродов, а, b и b, с, разнесенных на расстояние вдоль обсадной колонны, при этом электроды а и с, в принципе, находятся на одинаковом расстоянии от электрода b. Токовые электроды размещены по каждую сторону от измерительных электродов для инжектирования в противоположных направлениях токов в обсадную колонну. Инжектируемые токи регулируют по цепи обратной связи так, чтобы на внешние измерительные электроды задавался один и тот же потенциал для исключения действия сопротивления обсадной колонны, изменяющегося на участках (а, b) и (b, с), заданных измерительными электродами. Значение тока утечки на уровне центрального электрода b получают путем измерения падения напряжения на каждой паре электродов, а, b и b, с, и путем нахождения разности между падениями напряжений, а эта разность, как установлено, пропорциональна току утечки. В патенте Франции 2207278 предусмотрено использование трех измерительных электродов, равномерно разнесенных, как в патенте США 2729784, для измерения тока утечки, и в нем также описан способ, состоящий из двух этапов: на первом этапе измеряют сопротивление участка обсадной колонны, заданного внешними измерительными электродами, и в течение этого этапа вынуждают ток протекать по обсадной колонне так, чтобы не было утечки в формацию, а в течение второго этапа обеспечивают возможность утечки тока в формацию. С этой целью предусмотрена система инжекции тока, которая содержит один эмиссионный электрод и два возвратных электрода, при этом один ближайший измерительный электрод возбуждают в течение первого этапа, а другой измерительный электрод, расположенный возле поверхности, возбуждают в течение второго этапа. В патенте США 4796186 описан способ,включающий два этапа того же самого вида, как и в способе, описанном в указанном выше патенте Франции 2207278, с использованием той же самой конфигурации электродов. Предусмотрена схема для подавления действия сопротивления, различающегося на двух участках обсадной колонны. Схема содержит усилители,подключенные к каждой паре измерительных электродов для передачи соответствующих падений напряжений на их выходы. Один из усилителей выполнен с переменным коэффициентом передачи, и его коэффициент передачи в 3 течение первого этапа регулируют так, чтобы устранить различие между выходными сигналами усилителей. В патенте США 4820989 описан идентичный способ компенсации. Цель изобретения заключается в осуществлении этой функции компенсации простым и эффективным способом. Согласно изобретению разработан способ исследования геологической формации, через которую проходит обсаженная скважина, отличающийся тем, что на первом этапе инжектируют ток в обсадную колонну в первой точке,расположенной в продольном направлении на расстояние от формации для обеспечения утечки тока в формацию, а электроды, задающие два последовательных участка обсадной колонны,расположенных на уровне формации, используют для измерения соответствующих падений потенциалов вдоль указанных участков; на втором этапе инжектируют ток в обсадную колонну во второй точке, расположенной в продольном направлении на расстояние от формации и на противоположной ее стороне относительно первой точки для обеспечения утечки тока в формацию, а указанные электроды используют для измерения падений потенциалов вдоль указанных участков; соответствующие измерения двух этапов комбинируют для получения значений, соответствующих цепи, образованной обсадной колонной между двумя точками инжекции, и, по существу, свободных от утечки в формацию, и определяют ток утечки, характеризующий удельное сопротивление формации,на основе измерений, полученных на первом этапе и на втором этапе, и значений, получившихся в результате осуществления указанной комбинации. Изобретение станет полностью понятным из нижеследующего описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее: фиг. 1 - вид, иллюстрирующий принцип измерения удельного сопротивления в обсаженной скважине; фиг. 2 - вид, схематично показывающий скважинное устройство, предназначенное для реализации указанного принципа; фиг. 3 А, 3 В и 3C - схемы, отражающие различные рабочие состояния устройства, показано на фиг. 2. Принцип измерения удельного сопротивления в обсаженной скважине заключается в том, чтобы вынудить ток протекать по обсадной колонне с возвратом в отдаленной точке для обеспечения утечки тока в геологические формации, через которые проходит скважина, и в том, чтобы оценить ток утечки на любом заданном уровне скважины, при этом более высокая удельная проводимость формации, окружающей скважину на указанном уровне, соответствует большему току утечки. Это можно выразить в математическом виде с помощью экспоненци 003656 4 ально убывающего соотношения для тока, протекающего через обсадную колонну, при этом скорость убывания на любом заданном уровне является функцией отношения удельного сопротивления Rt формации к удельному сопротивлению Rc обсадной колонны. На графическом изображении, представленном на фиг. 1, показан участок скважины 10,имеющей ось Х-Х' симметрии и снабженной металлической обсадной колонной 11. Желаемый уровень (или глубина), на котором осуществляется измерение, обозначен b. Рассматривается участок ас обсадной колонны, проходящий по каждую сторону от уровня b. Если ток протекает через обсадную колонну с возвратом в удаленной точке (т.е. на уровне поверхности), ослабление тока может быть представлено на языке электрических схем шунтом, расположенным между уровнем b и бесконечностью. Сопротивление шунта характеризует удельное сопротивление Rt формации на уровне электрода b. Следовательно, используя закон Ома, это можно записать как:[1],где k - геометрическая постоянная, которая может быть определена путем калибровочных измерений;Vb, - потенциал обсадной колонны на уровне b относительно бесконечности; иIfor - ток утечки на уровне b. С помощью аппроксимирующего дискретного изменения ослабление тока на уровне b можно представить как разность между входным током на уровне b и выходным током. Поэтому ток Ifor утечки выражается разностью между токами Iab и Ibc (которые предполагаются постоянными), протекающими соответственно через участки ab и bc обсадной колонны:Ifor=Vab/Rab-Vbc/Rbc [2'],где Vab и Vbc - падения потенциалов соответственно на участке ab и на участке bc обсадной колонны;Rab и Rbc - значения сопротивлений соответственно участка ab и участка bc обсадной колонны. Исходно предполагается, что к обсадной колонне приложен ток, представляющий собой постоянный ток. Принимая во внимание отношение между удельным сопротивлением обсадной колонны и обычными значениями удельных сопротивлений формаций, которое находится в пределах от 107 до 1010, можно видеть, что ослабление тока на длине, соответствующей разрешению, которое является приемлемым для измерения сопротивления формации, например в диапазоне от 30 см до 1 м, очень мало. Поэтому разность между падениями потенциалов Vab и Vbc, которая может быть приписана ослаблению тока, обычно 5 представляет собой весьма небольшую величину. В результате неопределенности, даже небольшие неопределенности, связанные с членами разности, оказывают основное влияние. По различным причинам (из-за локализованной коррозии, неоднородностей материала обсадной колонны или изменений толщины) значения сопротивлений на единичную длину участков ab и bс обсадной колонны могут отличаться от значений, соответствующих номинальным характеристикам обсадной колонны, и, прежде всего, могут отличаться друг от друга. Неопределенность также оказывает влияние на длины участков ab и bc обсадной колонны, поскольку указанные длины зависят от положений контактных точек, в которых электроды находятся в контакте с обсадной колонной, а эти положения известны только с относительно низкой точностью. На фиг. 2 схематично показано устройство для осуществления описанного выше принципа. Устройство содержит зонд 12, выполненный с возможностью перемещения в нефтяной скважине 10, снабженной обсадной колонной 11, и подвешенный на конце электрического кабеля 13, который соединяет его с наземным оборудованием 14, содержащим средство для сбора и обработки данных и источник 16 электропитания. Зонд 12 снабжен тремя измерительными электродами а, b и с, которые можно расположить в контакте с обсадной колонной и тем самым задать участки ab и bc обсадной колонны, имеющие длину, находящуюся в пределах от 40 до 80 см. В показанном варианте осуществления электроды а, b и с установлены на рычагах 17, шарнирно закрепленных на зонде 12. Посредством механизмов известного типа,которые нет необходимости описывать подробно в настоящей заявке, эти рычаги можно поворачивать от зонда для приведения электродов в контакт с обсадной колонной, а затем по окончании измерений возвращения назад в отведенное положение. Электроды выполнены таким образом, что после их приведения в контакт с обсадной колонной их положения остаются неизменными, насколько это возможно и таким образом, что электрический контакт с обсадной колонной является оптимальным. Зонд этого типа может быть изготовлен на основе прибора, успешно используемого фирмой Schlumberger для оценочного контроля защиты от коррозии (исследования СРЕТ), описанного в патенте США 5563514. Этот прибор, который предназначен для оценки катодной защиты обсадной колонны и ее коррозии,снабжен двенадцатью электродами, распределенными по четырем уровням, разнесенным на расстояния в продольном направлении, при этом расстояние между уровнями составляет примерно 60 см, а три электрода на каждом уровне расположены симметрично вокруг оси 6 прибора, т.е. с угловым разнесением 120 между соседними электродами. Для измерения удельного сопротивления формации достаточно трех электродов а, b, с. Но можно использовать большее число уровней,например, как в вышеупомянутом приборе, четыре уровня, которые могут составлять две группы из трех последовательных уровней для сбора большей информации и одновременного осуществления измерений, соответствующих двум различным глубинам. В таких случаях каждый комплект, состоящий из трех последовательных электродов, связан со схемами обработки, описанными ниже. Что касается числа электродов на каждом уровне, то достаточно одного электрода. Кроме того, зонд снабжен токовыми электродами, расположенными по каждую сторону относительно электродов а и с, то есть верхним электродом In1 и нижним электродом In2, находящимися на расстояниях от электродов а и с,которые могут быть того же порядка или несколько больше расстояния между электродами а и с, например могут составлять несколько метров. Изолирующие фитинги 18, такие, как фитинги типа АН 169, обычно используемые фирмой Schlumberger, расположены по каждую сторону от центральной части зонда для того,чтобы изолировать указанную центральную часть от токовых электродов In1 и In2, поскольку центральная часть содержит измерительные электроды а, b и с. Токовые электроды In1 и In2 могут быть выполнены в виде обычных центраторов для обсаженных скважин. Обычно такие центраторы снабжают колесами в качестве элементов, которые приводят в соприкосновение с обсадной колонной, а затем заменяют элементами, выполняющими функции токовых электродов, при этом предусматривают провода для подключения к элементам, образующим электроды. Кроме того, устройство снабжено отдаленным возвратным электродом In3, расположенным предпочтительно на уровне поверхности, в устье скважины (если скважина достаточно глубокая) или на некотором расстоянии от устья скважины, и средствами для питания токовых электродов для создания различных цепей, описанных ниже со ссылками на фиг. 3 А, 3 В, 3 С. Средства содержат упомянутый выше наземный источник 16 тока и, в зависимости от обстоятельств, дополнительный источник, расположенный в зонде, и соответствующие переключающие схемы. Графические изображения, приведенные на фиг. 3 А, 3 В, 3 С, иллюстрируют этапы измерений, соответствующие различным схемам прохождения тока, которые можно создавать посредством описанной выше аппаратуры. Как пояснено ниже, для получения нужного результата достаточно двух (или трех) таких этапов. 7 На этих графических изображениях показана схема обработки, включающая усилителиDab и Dbc, входы которых подключены соответственно к электродам а и b, а также к электродам b и с, и которые формируют на своих выходах падения Vab и Vbc напряжений на участках обсадной колонны, заданных электродами, и усилитель Dabc, подключенный к усилителям Dab и Dbc и формирующий на своем выходе разность Vabc между падениями Vab и Vbc напряжений. Предпочтительно эта схема расположена в скважинном зонде 12. Она дополнена расчетным средством, расположенным предпочтительно в средстве 15 для сбора и обработки данных наземного оборудования, и в это расчетное средство поступают напряжения со схем обработки и другие необходимые данные, а в нем вычисляются значения удельного сопротивления Rt. Данные в цифровой форме передаются обычным образом по кабелю 13, при этом в зонде 12 предусмотрен аналогоцифровой преобразователь (не показанный),подключенный к схеме обработки. На этапе, показанном на фиг. 3 А, калибруют измерительную систему, образованную измерительными электродами а, b и с и участком 11 обсадной колонны, который они задают. На этом этапе подают ток к обсадной колонне посредством цепи, образованной электродом In1 как инжектирующим электродом и электродом In2, имитирующим возвратный электрод, при установке переключающих схем в соответствующее положение. В этом случае ток,по существу, не проникает в формацию, окружающую скважину. Предпочтительно ток представляет собой низкочастотный переменный ток, имеющий частоту, например, в пределах от 1 до 5 Гц, но в приведенном ниже пояснении предполагается, что ток представляет собой постоянный ток. При поданном токе, обозначенном как It,выходные напряжения усилителей будут следующими:VabcC=(Rab-Rbc)It На этапе, показанном на фиг. 3 В, используют схему для подачи тока, выполненную из верхнего электрода In1 и отдаленного электродаIn3, при этом подают тот же самый ток, что и на первом этапе, т.е. переменный ток той же самой частоты. При этих условиях, как описано выше со ссылкой на фиг. 1, образуется ток утечки,который является функцией удельного сопротивления формации на уровне электрода b. При обозначении тока, протекающего вниз через участки ab и bc обсадной колонны, как Id и обозначении тока утечки, как и выше, через Ifor выходные напряжения усилителей будут следующими:[4"] Комбинируя эти выражения, можно получить ток Ifor утечкиIfor=It[VabcT-(VabcCVabT/VabC)]/(VabC-VabcC) [5] Этап, показанный на фиг. 3 С, отличается от этапа на фиг. 3 В только тем, что для подачи тока используют нижний электрод In3 вместо верхнего электрода In1, при этом возврат обеспечивается поверхностным электродом In3. Поэтому, как и на этапе, показанном на фиг. 3 В,ток утекает в формацию, но при этом ток протекает вверх через участки ab и bc обсадной колонны. Этот ток обозначен как Ih, а образующиеся напряжения обозначены как VаbB, VbсB иVabcB. Следует отметить, что согласно принципу суперпозиции токовая цепь, показанная на фиг. 3 А и составленная из электродов In1 и In2, эквивалентна в части электрических величин (тока и напряжения) разности между цепью, показанной на фиг. 3 В, и цепью, показанной на фиг. 3 С,если ток, подаваемый посредством соответственно электродов In1 и In2, является тем же самым. Следовательно, в символической форме Цепь 3 А=Цепь 3 В - Цепь 3 С Поэтому значения тока и напряжений в вышеуказанном выражении [5], соответствующие этапу, показанному на фиг. 3 А, можно заменить согласно изобретению разностями между соответствующими значениями, полученными соответственно на этапах, показанных на фиг. 3 В и 3 С: VabC=VabT-VаbB и т.д. Это делает возможной замену этапа, показанного на фиг. 3 А, этапом, показанным на фиг. 3 С. Преимущество этого решения заключается в том, что для этапа, показанного на фиг. 3 А, необходим либо источник тока в скважинном зонде, либо источник тока на поверхности, соединенный с двумя дополнительными жилами в кабеле 13. Чтобы определить удельное сопротивление Rt формации после расчета таким путем тока Ifor утечки, остается решить задачу определения потенциала обсадной колонны относительно начала отсчета в бесконечности, Vbпоясненного выше. Это выполняют так, как описано в вышеуказанной литературе, с помощью опорного электрода, который можно разместить на поверхности, в отдалении от поверхностного возвратного электрода In3 или, что предпочтительно, расположить в скважине, например на изолированном участке кабеля или на стропе, соединяющем скважинный прибор с кабелем. При этом можно измерять разностьVbs потенциалов между обсадной колонной на уровне измерительного электрода b и опорным электродом. С использованием вышеуказанного уравнения [1] образуют отношение kVbs/Ifor,где k - указанная выше постоянная, с тем, чтобы вывести удельное сопротивление Rt формации. Это измерение напряжения Vbs нельзя выпол 9 нять одновременно с другими вышеупомянутыми измерениями из-за эффектов связи в кабеле. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ исследования геологической формации, через которую проходит обсаженная скважина, отличающийся тем, что на первом этапе инжектируют ток в обсадную колонну(11), по меньшей мере, в первой точке (In1),расположенной в продольном направлении, на расстояние от формации для обеспечения утечки тока в формацию, используют для измерения падений потенциалов электроды (а, b, с), задающие два последовательных участка обсадной колонны, расположенных на уровне формации, а на втором этапе инжектируют ток в обсадную колонну во второй точке (In2), расположенной в продольном направлении, на расстояние от формации и на противоположной ее стороне относительно первой точки для обеспече 10 ния утечки тока в формацию, причем указанные электроды используют для измерения падений потенциалов вдоль указанных участков, затем соответствующие измерения двух этапов комбинируют для получения значений, эквивалентных значениям цепи, образованной обсадной колонной между двумя точками инжекции и, по существу, свободной от утечки тока в формацию, после чего определяют ток утечки, характеризующий удельное сопротивление формации, на основе полученных на первом этапе и на втором этапе измерений и значений, получившихся в результате осуществления указанной комбинации. 2. Способ по п.1, в котором первую точку инжекции располагают выше формации, а вторую точку инжекции располагают ниже формации и при осуществлении комбинации вычитают измерения второго этапа из измерений первого этапа.