Электрокаротаж слоистого грунтового образования

1 Настоящее изобретение относится к способу определения удельной электропроводности грунтового образования, состоящего из разных слоев грунта, при котором ствол скважины, содержащий текучую среду ствола скважины,проходит в грунтовое образование. Такой способ также называют способом каротажа. Более конкретно, изобретение относится к определению удельных электропроводностей выбранных слоев грунтового образования. Полученные таким образом удельные электропроводности можно использовать для определения составов отдельных слоев и для определения присутствия текучих сред, таких, например, как нефть, вода или газа, в таких слоях. Вообще говоря, трудно обнаружить углеводороднесущие зоны в слоистых кластических резервуарах, состоящих из чередующихся тонких слоев сланцевой глины и песка, когда используют обычный скважинный зонд для индукционного каротажа. Если слои слишком тонкие для индивидуального обнаружения с помощью скважинного зонда для индукционного каротажа, потому что вертикальное разрешение скважинного зонда слишком низкое, этот скважинный зонд показывает среднюю удельную электропроводность образования. В вертикальной буровой скважине скважинный зонд для обычного индукционного каротажа с магнитными диполями в вертикальном направлении показывает среднюю удельную электропроводность, которая является комбинацией удельных электропроводностей песка и сланцевой глины,но в которой доминирующую роль играет относительно высокая удельная электропроводность слоев сланцевой глины. Скважинный зонд для поперечного индукционного каротажа с магнитными диполями в горизонтальном направлении показывает среднюю удельную электропроводность, в которой доминирующую роль играет относительно низкая удельная электропроводность углеводороднесущих слоев песка. Если объем сланцевой глины/песка в образовании известен, например, из замеров с помощью скважинного зонда для гамма-каротажа или скважинного зонда для радиоактивного каротажа, можно использовать комбинацию скважинного зонда для обычного индукционного каротажа и скважинного зонда для поперечного индукционного каротажа с целью определения удельных электропроводностей отдельных слоев сланцевой глины и песка, при условии, что слои одинакового типа имеют одинаковую удельную электропроводность. Однако трудно интерпретировать отклик скважинного зонда для поперечного индукционного каротажа, потому что его отклик испытывает сильное негативное влияние большого диаметра скважины, а также влияние проникновения текучей среды ствола скважины. Известный способ снижения влияния диаметра скважины на отклик скважинного зонда 2 для поперечного индукционного каротажа описан в работе Табаровского и др., 1979, "Радиальные характеристики индукционных фокусирующих зондов с поперечными детекторами в анизотропной среде", "Советская геология и геофизика", 20, с. 81-90. В известном способе используют скважинный зонд для индукционного каротажа, который содержит средство передачи магнитных полей, пригодное для индуцирования магнитного поля в образовании, и средство приема магнитных полей, пригодное для приема магнитных полей отклика на разных расстояниях от средства передачи и для выдачи сигнала, характеризующего каждое магнитное поле отклика. Однако разрезы скважины, полученные с помощью этого скважинного зонда,довольно "дикие", и поэтому их трудно интерпретировать. Эта проблема становится еще более очевидной, когда скважинный зонд проходит через последовательность слоев грунта. В публикации международной патентной заявки 90/18 120 описан способ определения удельной электропроводности грунтового образования, состоящего из различных слоев грунта,которое пронизано стволом скважины, содержащим текучую среду ствола скважины, при этом способ заключается в том, что опускают скважинный зонд для индукционного каротажа в ствол скважины до места,окруженного выбранным одним из слоев грунта,причем скважинный зонд содержит средство передачи магнитных полей для индуцирования магнитных полей разных частот в указанном грунтовом образовании и средство приема магнитных полей для приема магнитных полей отклика и для выдачи сигнала, характеризующего каждое магнитное поле отклика,выбирают, по меньшей мере, две из указанных разных частот,для каждой выбранной частоты приводят в действие средство передачи, чтобы индуцировать магнитное поле в грунтовом образовании, и приводят в действие средство приема, чтобы выдавать сигнал, характеризующий магнитное поле отклика, и комбинируют сигналы так, чтобы сформировать комбинированный сигнал, имеющий пониженную зависимость от удельной электропроводности в области ствола скважины, и определяют, исходя из этого комбинированного сигнала, удельное сопротивление образования. Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать способ определения характеристики слоя грунта слоистого грунтового образования,при котором получают каротажный отклик, который легко интерпретировать даже в случае,если толщина отдельных слоев грунта относительно мала. Кроме того, желательно определять относительную ориентацию скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования. 3 Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы разработать систему для осуществления способа, соответствующего изобретению. И еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы разработать скважинный зонд для индукционного каротажа, предназначенный для использования в способе и системе, соответствующих изобретению. Поставленная задача решается тем, что в способе определения удельной электропроводности грунтового образования, состоящего из разных слоев грунта, которое пронизано стволом скважины, содержащей текучую среду ствола скважины, согласно изобретению, по меньшей мере, одно из средств передачи и средства приема имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях,причем, по меньшей мере, одно из средства передачи и средства приема приводят в действие во взаимно ортогональных направлениях, при этом комбинированный сигнал содержит множество комбинированных сигналов, причем способ дополнительно включает определение,исходя из множества комбинированных сигналов, относительной ориентации скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования. Изобретение также относится к системе для определения удельной электропроводности грунтового образования, состоящего из разных слоев грунта, которое пронизано стволом скважины, содержащим текучую среду ствола скважины, при этом система содержит средство для опускания скважинного зонда для индукционного каротажа в ствол скважины до места, окруженного выбранным одним из слоев грунта, причем скважинный зонд содержит средство передачи магнитных полей для индуцирования магнитных полей разных частот в указанном грунтовом образовании и средство приема магнитных полей для приема магнитных полей отклика и для выдачи сигнала, характеризующего каждое магнитное поле отклика,средство для выбора, по меньшей мере,двух из указанных разных частот,средство для приведения в действие средства передачи, чтобы индуцировать магнитное поле в грунтовом образовании, и приведения в действие средства приема, чтобы выдавать сигнал, характеризующий магнитное поле отклика,для каждой выбранной частоты, и средство для комбинирования сигналов так, чтобы сформировать комбинированный сигнал, имеющий пониженную зависимость от удельной электропроводности в области ствола скважины, и для определения, исходя из этого комбинированного сигнала, удельного сопротивления образования,отличающейся тем, что, по меньшей мере,одно из средства передачи и средства приема имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях, причем, по 4 меньшей мере, одно из средства передачи и средства приема приводятся в действие во взаимно ортогональных направлениях, причем система дополнительно содержит средство для определения относительной ориентации скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования, исходя из комбинированного сигнала, который содержит множество комбинированных сигналов. Изобретение также относится к скважинному зонду для индукционного каротажа, предназначенному для использования в способе и системе. Чтобы снизить влияние примыкающих слоев, средство приема предпочтительно пригодно для приема магнитных полей отклика на разных расстояниях от средства передачи, при этом выбирают, по меньшей мере, два из указанных разных расстояний, приводят в действие средство передачи и средство приема при разных комбинациях выбранных частот и выбранных расстояний, а сигналы дополнительно комбинируют таким образом, что указанный комбинированный сигнал имеет пониженную зависимость от удельной электропроводности слоя грунта, примыкающего к выбранному слою грунта. Разложение в ряд содержит член, который является нелинейным по частоте и который определяется главным образом удельной электропроводностью примыкающего слоя (примыкающих слоев). Путем комбинирования уравнений таким образом, что из каждого уравнения исключается доминирующий член, который является нелинейным по частоте, получают результирующее уравнение, из которого, по существу, исключено влияние области ствола скважины и примыкающего слоя (примыкающих слоев). Обнаружено, что сигналы в средстве передачи и средстве приема лишь незначительно зависят от расстояния между средством передачи и средством приема, которое далее именуется зондовым расстоянием. Поэтому разложения сигналов в ряд также незначительно зависят от зондового расстояния. Каждое из средства передачи и средства приема предпочтительно имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях, и при этом каждое из средства передачи и средства приема приводится в действие в указанных взаимно ортогональных направлениях. Соответственно, каждое из средства передачи и средства приема имеет три магнитных диполя в трех ортогональных направлениях, и при этом каждое из средств передачи и приема приводится в действие в указанных трех взаимно ортогональных направлениях. Далее изобретение будет подробнее пояснено на примере со ссылками на прилагаемые чертежи, где 5 фиг. 1 схематически изображает ствол скважины, проходящий в слоистое грунтовое образование, в который опущен скважинный зонд для индукционного каротажа, используемый в способе, соответствующем изобретению; фиг. 2 изображает ствол скважины, показанный на фиг. 1, в который опущен альтернативный скважинный зонд для индукционного каротажа, используемый в способе, соответствующем изобретению. Ствол 1 скважины на фиг. 1 проходит в грунтовое образование, которое включает в себя углеводороднесущий слой 3 песка, расположенный между верхним слоем 5 сланцевой глины и нижним слоем 7 сланцевой глины, причем слои 5, 7 сланцевой глины имеют более высокую удельную электропроводность, чем углеводороднесущий слой 3 песка. Скважинный зонд 9 для индукционного каротажа, используемый при практической реализации изобретения,опущен в ствол 1 скважины посредством талевого каната 11, проходящего через противовыбросовый предохранитель 13 (показан схематически), находящийся на поверхности 15 грунта. Относительная ориентация ствола 1 скважины и скважинного зонда 9 для каротажа относительно слоев 3, 5, 7 определяется двумя углами,один из которыхпоказан на чертеже. Скважинный зонд 9 для каротажа снабжен группой 18 катушек передачи и группой 19 катушек приема, причем каждая группа 18, 19 катушек соединена с наземным оборудованием 22 посредством подходящих кабелей (не показаны),проходящих вдоль талевого каната 11. Наземное оборудование 22 включает в себя источник электропитания для подачи электропитания к группе 18 катушек и процессор сигналов для приема и обработки электрических сигналов от катушек 19 приема. Каждая группа 18, 19 катушек включает в себя три катушки (не показаны), которые расположены так, что группа имеет три магнитных диполя вo взаимно ортогональных направлениях, т.е. в направлениях х, у и z. Таким образом,группа 18 катушек имеет магнитные диполи 26 а, 26b, 26 с, а группа 19 катушек имеет магнитные диполи 28 а, 28b, 28 с. Катушки с магнитными диполями 26 а и 28 а являются поперечными катушками, т.е. они ориентированы так, что имеют магнитные диполи, перпендикулярные оси ствола скважины, за счет чего направление магнитного диполя 28 а противоположно направлению магнитного диполя 26 а. Кроме того, группы 18, 19 катушек расположены, по существу, вдоль продольной оси скважинного зонда 9 для каротажа. Для простоты ссылок отметим, что нормальная работа скважинного зонда 9 будет описана только для катушек, имеющих диполи в направлении х, т.е. диполи 26 а, 28 а. При нормальной работе переменный ток частоты f1 подается источником электропитания 6 наземного оборудования 22 в группу 18 катушек передачи, так что в образовании индуцируется магнитное поле с диполем 26 а. Это магнитное поле проходит в слой 3 песка и вследствие этого индуцирует ток в слое 3 песка, состоящий из некоторого количества локальных вихревых токов (токов Фуко). Амплитуда такого локального вихревого тока зависит от места относительно группы 18 катушек передачи, удельной электропроводности грунтового образования в указанном месте и частоты, на которой работает группа 18 катушек передачи. В принципе, локальные вихревые токи действуют как источник, индуцирующий новые токи, которые снова индуцирует дополнительные новые токи, и так далее. Ток, индуцируемый в слое 3 песка, индуцирует магнитное поле отклика, которое не совпадает по фазе с индуцируемым магнитным полем и которое индуцирует ток отклика в группе 19 катушек приема. Поскольку амплитуда тока,индуцируемого в слое 3 песка, зависит от удельной электропроводности слоя 3 песка, амплитуда тока отклика в группе 19 катушек приема также зависит от этой удельной электропроводности и поэтому обеспечивает показание удельной электропроводности слоя 3 песка. Однако магнитное поле, формируемое группой 18 катушек передачи, проходит не только в слой 3 песка, но и в текучую среду ствола скважины и в слои 5, 7 сланцевой глины, так что в текучей среде ствола скважины и слоях 5, 7 сланцевой глины индуцирующая токи, которые приводят к дополнительным составляющим в токе отклика в группе 19 катушек приема. Эти дополнительные составляющие могут быть линейно зависимыми от частоты, на которой работает группа 18 катушек передачи, или могут быть пропорциональны членам более высокого порядка в частоте. Вообще говоря, члены более высокого порядка доминируют, если объем ствола 1 скважины относительно велик, и/или если частота или удельная электропроводность относительно велика. Если это не так, доминирующий вклад текучей среды ствола скважины в общий отклик в группе 19 катушек приема вызывает формирование составляющей, линейной по частоте. Магнитное поле h(f1) отклика, принимаемое группой 19 катушек приема, можно записать в виде разложения в ряд по частоте(1) где h1, h2, h3 - члены разложения в ряд магнитного поля h(f) отклика. Составляющая f1h1 существенно зависит от удельной электропроводности в области ствола скважины, т.е. этот член зависит главным образом от удельной электропроводности текучей среды ствола скважины. Затем переменный ток частоты f2 подается источником электропитания наземного оборудования 22 в группу 18 катушек передатчика,так что в образовании индуцируется магнитное 7 поле частоты f2, которую, соответственно, выбирают отличающейся от f1. Аналогично магнитному полю частоты f1, магнитное поле частоты f2 индуцирует ток в слоях 3, 5, 7, который индуцирует магнитное поле отклика в образовании, причем это магнитное поле отклика индуцирует ток отклика в группе 19 катушек приема. Магнитное поле отклика, принимаемое группой 19 катушек приема, можно записать в виде разложения в ряд по частоте(2) Составляющая f2h1 в выражении (2) зависит главным образом от удельной электропроводности в области ствола скважины. Путем комбинирования выражений (1) и(2) подходящим образом можно исключить составляющие f1h1 и f2h1, так что результирующее выражение имеет вид(3) Таким образом исключают члены, линейные по частоте, и тем самым, по существу, исключают влияние области ствола скважины в выражении (3). Чтобы учесть и определить относительную ориентацию скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования, повторяют вышеописанную процедуру для катушек,имеющих направления магнитных диполей в направлениях у и z, соответственно. Например,когда группу 18 катушек приводят в действие для получения магнитного поля с магнитным диполем 26 а, магнитное поле отклика измеряют с помощью группы 19 катушек вдоль магнитных диполей 28b и 28 с, соответственно. Аналогично, когда группу 18 катушек приводят в действие для получения магнитного поля с магнитным диполем 26b или 26 с, магнитное поле отклика также измеряют с помощью группы 19 катушек вдоль магнитных диполей 28 а, 28b и 28 с, соответственно, и т.д. Таким образом приходят к множеству групп уравнений (1)-(3), из которых можно определить относительную ориентацию. Фиг. 2 схематически изображает тот же ствол скважины, что и на фиг. 1, в который опущен альтернативный скважинный зонд для каротажа, используемый в способе, соответствующем изобретению. Альтернативный скважинный зонд 9 а для каротажа снабжен двумя группами 17, 18 катушек передачи и двумя группами 19, 20 катушек приема, причем каждая группа катушек - 17, 18, 19, 20 - соединена с наземным оборудованием 22 посредством подходящих кабелей (не показаны), проходящих вдоль талевого каната 11. Аналогично скважинному зонду, показанному на фиг. 1, каждая группа катушек - 17, 18,19, 20 - включает в себя три катушки (не показаны), которые расположены так, что группа имеет три магнитных диполя во взаимно ортогональных направлениях, т.е. в направлениях х,у и z. Так, группа 17 катушек имеет магнитные 8 диполи 24 а, 24b, 24 с, группа 18 катушек имеет магнитные диполи 26 а, 26b, 26 с, группа 19 катушек имеет магнитные диполи 28 а, 28b, 28 с, и группа 20 катушек имеет магнитные диполи 30 а, 30b, 30 с. Пара групп 17, 20 катушек и пара групп 18, 19 катушек имеют общую среднюю точку, которая определяется как точка, расположенная на полпути между группами катушек такой пары. Расстояние между группами катушек такой пары в дальнейшем именуется зондовым расстоянием. Зондовое расстояние пары 17,20 катушек равно L1, а зондовое расстояние пары 18, 19 катушек равно L2, причем L1L2. Нормальная работа скважинного зонда 9 а,вообще говоря, аналогична нормальной работе скважинного зонда 9, показанного на фиг. 1, за исключением следующих дополнительных этапов. После исключения членов, линейных по частоте, как описано со ссылками на фиг. 1, в настоящем изобретении используется также понимание того, что члены, пропорциональныеf3/2, фактически не зависят от зондового расстояния и что вертикальное разрешение частотно-сфокусированного отклика можно повысить путем комбинирования отдельных откликов двух частотно-сфокусированных пар передачи/приема с разными зондовыми расстояниями. Таким образом можно исключить члены, пропорциональные f3/2. Если применяемые частоты выбраны равными для обеих пар передачи/приема, можно, соответственно, добиться этого исключения за счет использования одинаковых магнитных диполей для групп 17, 18 катушек передачи, но противоположных магнитных диполей для групп 19, 20 катушек приема. Вместо этого можно использовать разные пары частот для пар передачи/приема. Поэтому на следующем этапе группу 17 катушек передачи используют для индуцирования магнитного поля и соответствующего поля тока в образовании, а группу 20 катушек приема используют для выдачи сигнала, характеризующего магнитное поле отклика. Переменный ток, подаваемый в группу 17 катушек передачи,имеет частоту f1, т.е. ту же частоту тока, что и ранее при подаче в группу 18 катушек передачи. Магнитное поле h' отклика можно записать в виде разложения в ряд аналогично выражению(1), содержащего составляющую f1h'1, которая зависит главным образом от удельной электропроводности области ствола скважины, и составляющую f13/2h'2, которая зависит главным образом от удельной электропроводности слоев 5, 7 сланцевой глины. Затем в группу 17 катушек передачи подают переменный ток частотыf2, т.е. той же частоты тока, что и ранее при подаче в группу 18 катушек передачи. Магнитное поле h' отклика можно записать в виде разложения в ряд аналогично выражению (2), содержащего составляющую f2h'1, которая зависит главным образом от удельной электропроводности области ствола скважины, и составляющуюf23/2h'2, которая зависит главным образом от удельной электропроводности слоев 5, 7 сланцевой глины. Путем комбинирования этих разложений в ряд аналогично тому, что описано выше со ссылкой на выражения (1) и (2), можно исключить члены, линейные по частоте, приходя таким образом к результирующему выражению(4) Путем комбинирования выражений (3) и(4) можно теперь исключить члены f13/2 и f23/2,получая таким образом результирующее выражение, из которого фактически исключено влияние удельной электропроводности в области ствола скважины и удельной электропроводности слоев 5, 7 сланцевой глины. Это результирующее выражение выдается наземным оборудованием 22 в виде комбинированного сигнала. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в результате комбинирования разных частот и разных зондовых расстояний можно получить сигнал, характеризующий удельную электропроводность выбранного слоя грунта, из которого фактически исключены влияния области ствола скважины и примыкающих слоев грунта. Чтобы учесть и определить относительную ориентацию скважинного зонда относительно слоев образования, процедуру повторяют для катушек, имеющих направления магнитных диполей в направлениях у и z, соответственно. Вместо размещения магнитных диполей каждой группы катушек на одной и той же глубине (т.е. в направлении z) можно размещать такие магнитные диполи на разных глубинах,чтобы учесть размер отдельных катушек каждой группы. Таким образом приходят к множеству уравнений (1)-(4), из которых можно определить относительную ориентацию, причем каждое из уравнений выдает комбинированный сигнал. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения удельной электропроводности грунтового образования, состоящего из разных слоев грунта, которое пронизано стволом скважины, содержащим текучую среду ствола скважины, при этом способ заключается в том, что опускают скважинный зонд для индукционного каротажа в ствол скважины до места,окруженного выбранным одним из слоев грунта,причем скважинный зонд содержит средство передачи магнитных полей для индуцирования магнитных полей разных частот в грунтовом образовании и средство приема магнитных полей для приема магнитных полей отклика и для выдачи сигнала, характеризующего каждое магнитное поле отклика, 001862 10 выбирают, по меньшей мере, две из указанных разных частот,для каждой выбранной частоты приводят в действие средство передачи, чтобы индуцировать магнитное поле в грунтовом образовании, и приводят в действие средство приема с тем,чтобы выдавать сигнал, характеризующий магнитное поле отклика, и комбинируют сигналы так, чтобы сформировать комбинированный сигнал, имеющий пониженную зависимость от удельной электропроводности в области ствола скважины, и определяют, исходя из этого комбинированного сигнала, удельное сопротивление образования,отличающийся тем, что, по меньшей мере,одно из средств передачи и приема имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях, причем, по меньшей мере, одно из средств передачи и приема приводят в действие во взаимно ортогональных направлениях, при этом комбинированный сигнал содержит множество комбинированных сигналов, причем способ дополнительно включает определение, исходя из множества комбинированных сигналов, относительной ориентации скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средство приема пригодно для приема магнитных полей отклика на разных расстояниях от средства передачи, при этом выбирают, по меньшей мере, два из указанных разных расстояний, приводят в действие средство передачи и средство приема для разных комбинаций выбранных частот и выбранных расстояний и комбинируют сигналы таким образом, что указанный комбинированный сигнал имеет пониженную зависимость от удельной электропроводности слоя грунта, примыкающего к выбранному слою грунта. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем,что каждое из средств передачи и приема имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях и при этом каждое из средств передачи и приема приводят в действие в указанных взаимно ортогональных направлениях. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что каждое из средств передачи и приема имеет три магнитных диполя в трех ортогональных направлениях, и при этом каждое из средств передачи и приема приводят в действие в указанных трех взаимно ортогональных направлениях. 5. Способ по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что каждый сигнал включает в себя составляющую, которая является линейной функцией частоты магнитного поля отклика и,по существу, зависит от удельной электропроводности в области ствола скважины, и составляющую, которая является нелинейной функцией частоты магнитного поля отклика и, по су 11 ществу, зависит от удельной электропроводности примыкающего слоя грунта, и при этом указанную линейную составляющую исключают из комбинированного сигнала до исключения нелинейной составляющей из комбинированного сигнала. 6. Система для определения удельной электропроводности грунтового образования,состоящего из разных слоев грунта, которое пронизано стволом скважины, содержащим текучую среду ствола скважины, при этом система содержит средство для опускания скважинного зонда для индукционного каротажа в ствол скважины до места, окруженного выбранным одним из слоев грунта, причем скважинный зонд содержит средство передачи магнитных полей для индуцирования магнитных полей разных частот в указанном грунтовом образовании и средство приема магнитных полей для приема магнитных полей отклика и для выдачи сигнала, характеризующего каждое магнитное поле отклика,средство для выбора, по меньшей мере,двух из указанных разных частот,средство для приведения в действие средства передачи, чтобы индуцировать магнитное 12 поле в грунтовом образовании, и приведения в действие средства приема, чтобы выдавать сигнал, характеризующий магнитное поле отклика,для каждой выбранной частоты, и средство для комбинирования сигналов так, чтобы сформировать комбинированный сигнал, имеющий пониженную зависимость от удельной электропроводности в области ствола скважины, и для определения, исходя из этого комбинированного сигнала, удельного сопротивления образования,отличающаяся тем, что, по меньшей мере,одно из средств передачи и приема имеет множество магнитных диполей во взаимно ортогональных направлениях, причем, по меньшей мере, одно из средств передачи и приема приводится в действие во взаимно ортогональных направлениях, при этом система дополнительно содержит средство для определения относительной ориентации скважинного зонда для каротажа относительно слоев образования, исходя из комбинированного сигнала, который содержит множество комбинированных сигналов.