Способ и устройство для определения удельного сопротивления формации, окружающей обсаженную скважину

1 Область техники Настоящее изобретение относится к определению удельного сопротивления геологических формаций, окружающих скважину, в которой размещена металлическая обсадная колонна. Предшествующий уровень техники Хорошо известно значение каротажа сопротивления при поиске нефти. Известно, что удельное сопротивление формации существенно зависит от флюида, который она содержит. Формация, содержащая соленую воду, которая является проводящей, имеет удельное сопротивление, которое намного больше удельного сопротивления формации, заполненной углеводородами, и поэтому измерение удельного сопротивления необходимо для обнаружения месторождения углеводородов. Каротажные диаграммы удельного сопротивления широко используются в течение многих лет, особенно при использовании устройств, имеющих электроды. Однако существующие способы имеют ограниченное применение в скважинах, которые не обсажены (согласно терминологии в нефтедобывающей промышленности - скважины, не закрепленные обсадными трубами). Присутствие в скважине металлической обсадной колонны, удельное сопротивление металла которой невелико по сравнению со значениями, которые типичны для геологических формаций, например около 210-7 Омм для стальной обсадной колонны и от 1 до 100 Омсм для формации,создает существенное препятствие для подачи электрических токов в формацию, окружающую обсадную колонну. В результате, нельзя обойтись без измерений удельного сопротивления до установки обсадной колонны на место. В частности, нельзя получить результаты измерений удельного сопротивления из скважин, которые находятся в эксплуатации, поскольку они снабжены обсадными колоннами. Поэтому весьма выгодно иметь возможность измерять удельное сопротивление на обсаженных участках скважин. Такие измерения,проведенные в скважине, находящейся в эксплуатации, на уровне залежи, сделают возможным обнаружение границ раздела водауглеводород и, следовательно, прослеживание положений этих границ раздела во времени,чтобы контролировать состояние коллектора углеводородов и оптимизировать добычу. Кроме того, можно проводить измерения удельного сопротивления в скважине (или на участке скважины), в которой не проводили измерения до размещения обсадной колонны на место, в частности, чтобы дополнить сведения о пласте и, возможно, обнаружить продуктивные пласты,которые первоначально не были обнаружены. Известны предложения для решения этой задачи. Принцип, на котором основаны такие измерения, описан в патенте США 2459196 и 2 заключается в том, что пропускают ток по обсадной колонне при условии, что ток вытекает в формацию или ослабляется в формации. Такое ослабление является функцией удельного сопротивления формации. Чем более проводящей является формация, тем больше ослабление,поэтому путем измерения ослабления можно определить удельное сопротивление формации. Согласно патенту ослабление тока оценивают путем определения профиля тока, протекающего по обсадной колонне. В патенте США 2729784 раскрыт способ измерений, в котором использованы три измерительных электрода, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль обсадной колонны и образующих пары соседних электродов, которые теоретически идентичны. Токовые электроды расположены по каждую сторону от измерительных электродов, чтобы инжектировать токи в обсадную колонну в противоположных направлениях. Контур обратной связи регулирует инжекцию токов так, чтобы внешние измерительные электроды находились под одним и тем же потенциалом для исключения влияния сопротивления обсадной колонны на участках, заданных измерительными электродами. Значение тока утечки на уровне среднего электрода получают путем измерения падения напряжения на каждой паре электродов и путем нахождения разности между падениями напряжений. При этом установлено, что указанная разность пропорциональна току утечки. В патенте США 2891215 раскрыт аналогичный способ с использованием токового электрода на дополнительном уровне вместе со средним измерительным электродом, расположенным так, чтобы прикладывался ток, который точно компенсирует ток утечки. В патенте Франции 2207278 для измерения тока утечки предусмотрено использование трех равномерно расположенных измерительных электродов и раскрыт способ, состоящий из двух этапов: первого этапа для измерения сопротивления участка обсадной колонны,заданного измерительными электродами, во время которого пропускают ток по обсадной колонне так, чтобы не было утечки в формацию; и второго этапа, во время которого ток втекает в формацию. Для этого предусмотрена система инжекции тока, которая содержит один эмиттирующий электрод и два возвратных электрода,один из которых располагают вблизи измерительных электродов и возбуждают на первом этапе, а другой располагают на поверхности и возбуждают на втором этапе. В патенте США 4796186 раскрыт способ, аналогичный предыдущему, в котором использовано такое же расположение электродов. Предусмотрена схема для исключения эффекта изменения сопротивлений между двумя участками обсадной колонны, эта схема содержит усилители, подключенные к каждой паре изме 3 рительных электродов для передачи на соответствующие выходы падения напряжений. Один из усилителей имеет переменный коэффициент усиления, который на первом этапе регулируют так, чтобы устранить различие между выходными сигналами усилителей. Этот способ очень трудно реализовать из-за порядков величин,указанных выше. Кроме того, для его осуществления необходимo провести два раздельных этапа. Краткое изложение существа изобретения В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа определения удельного сопротивления формации, который позволяет более просто и более эффективно определять ток утечки, чем в известных способах. Согласно изобретению разработан способ определения удельного сопротивления геологической формации вокруг ствола скважины,снабженной металлической обсадной колонной,который характеризуется тем, что к обсадной колонне прикладывают электрический ток, чтобы подать ток в формацию на заданном уровне. Указанный ток шунтируют цепью обратной связи, находящейся в контакте с обсадной колонной на каждой стороне от измерительного уровня, при этом цепь обратной связи выполняют так, чтобы ток, протекающий по обсадной колонне на заданном уровне, был меньше по сравнению с током, протекающим по шунту. Определяют разность между падениями напряжений на соседних участках обсадной колонны, расположенных на каждой стороне от измерительного уровня, и получают ток утечки. Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, где фиг. 1 изображает схему измерения удельного сопротивления обсаженной скважины известным способом; фиг. 2 - схему измерения удельного сопротивления согласно первому варианту осуществления способа согласно изобретению; фиг. 3 - схему измерения удельного сопротивления согласно второму варианту осуществления изобретения; и фиг. 4 - схему размещения аппаратуры,предназначенной для измерения, согласно изобретению. Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения Принцип, по которому измеряют удельное сопротивление в обсаженной скважине, заключается в создании условий, при которых ток протекает по обсадной колонне с возвратом в удаленной точке, чтобы обеспечить возможность подачи тока в геологические формации вокруг скважины и оценить ток утечки. На заданном уровне более проводящей формации, 003658 4 окружающей скважину, соответствует больший ток утечки. В математическом виде это можно выразить экспоненциально убывающим соотношением для тока, протекающего в обсадной колонне, со скоростью убывания на заданном уровне, которая является функцией отношения удельного сопротивления Rt формации и удельного сопротивления Rс обсадной колонны. На фиг. 1 показан участок скважины 10,имеющей ось Х-Х' симметрии и снабженной металлической обсадной колонной 11. Уровень,или глубина, на котором желательно осуществлять измерение, обозначен В. Рассматривается участок АС обсадной колонны, продолжающийся по каждую сторону от уровня В. Если ток протекает через обсадную колонну с возвратом в удаленной точке (например, возле поверхности), потери по току в формации на электрической схеме могут быть представлены шунтирующим резистором, расположенным между уровнем В обсадной колонны и бесконечностью. Сопротивление этого резистора характеризует удельное сопротивление Rt формации на уровне В. Поэтому, используя закон Ома, можно записать:(1) где k - геометрическая постоянная, которая определяется путем калибровочных измерений;VB,- потенциал обсадной колонны на уровне В относительно бесконечности; иIfor - ток утечки на уровне В. Потери по току на уровне В можно описать как разность между током, втекающим на уровне В, и вытекающим на этом уровне. В приближении дискретного изменения токов можно предположить, что токи на участке АВ и на участке ВС являются постоянными, эти токи принимаются равными средним токам IAB и IBC на этих участках, а ток Ifor утечки определяется разностью токов IAB и IBC:(2) Поскольку IAB и IBC представляют собой средние значения на участках АВ и ВС, то(2') где VAB и VBC - падения потенциалов соответственно вдоль участков АВ и ВС обсадной колонны;RAB и RBC - сопротивления участков АВ и ВС обсадной колонны соответственно. В стволе 10 (фиг. 2) скважины и размещена обсадная колонна 11, к которой прикладывают ток I0 посредством инжекционного электрода (не показан). Точка возврата находится на удалении, так что ток втекает в формацию, как показано параллельными стрелками. На обсадной колонне 11 участки АВ, ВС иCD размещены в осевом направлении на уровнях А, В, С и D. Электроды размещены в контакте с обсадной колонной на уровнях В и С, а также, по меньшей мере, на одном из уровней A и D. Электроды, находящиеся на уровнях А, В, 5 С и D, обозначены соответственно a, b, c и d. Средние электроды b и с подключены ко входам Е 1 и Е 2 соответственно усилителя 12, имеющего высокий коэффициент G усиления. Усилитель 12 включен параллельно цепи, образованной обсадной колонной 11, при этом выходы S1 и S2 усилителя 12 подключены к обсадной колонне 11 на соответствующих уровнях А' и D',находящихся за пределами соответствующих концов участка, проходящего между уровнями А и D. Усилитель 12 образует контур обратной связи, созданный для снижения разности потенциалов между входами Е 1 и Е 2 до значения,которое, по существу, равно нулю или, во всяком случае, небольшое. Падение напряжения между электродами b и с и, следовательно, токIBC, который протекает между этими электродами, небольшой и может считаться равным нулю. Поэтому практически весь ток отводится в шунтирующую цепь, включающую усилитель 12. Ток, протекающий под контролем усилителя 12 на участке ВС по наружной стороне обсадной колонны, по существу, равен току Ifor, который втекает в формацию. Поэтому разность VAB потенциалов между электродами а и b (или разность VCD потенциалов между электродами c и(3) Эту разность потенциалов измеряют посредством усилителя 13, входы которого подключены к электродам а и b (или к электродам с и d), а выходное напряжение которого представляет собой разность входных напряжений. Использование настоящего изобретения позволяет простым путем исключить трудности,связанные с погрешностью относительно сопротивлений RAB и RBC участков обсадной колонны. Из уравнений (3), приведенных выше, следует,что погрешность R, относящаяся к сопротивлению RAB (или RCD) участка обсадной колонны,оказывает влияние на погрешность, относящуюся к току утечки, только в виде относительного члена R/R, порядок которого в реальных условиях обычно составляет 10-2. Поэтому влияние погрешности R уменьшается решающим образом. Кроме того, изобретение позволяет измерять ток утечки, используя только один измерительный этап, что свидетельствует об оперативности способа. Выше указано, что ток IBC, протекающий на участке ВС, является, по существу, нулевым или, во всяком случае, небольшим. Коэффициент усиления усилителя 12 следует задавать таким образом, чтобы отношение тока, протекающего между уровнями А' и D', и тока, отведенного к усилителю, было не больше 10-2, при условии, что точное значение отношения изменяется в зависимости от условий и места измерений. Например, в пределах данного ствола скважины оно изменяется с глубиной, на кото 003658 6 рой осуществляют измерение, и поэтому априори не может быть постоянным. Указанный порядок величины является достаточным, вопервых, для получения результата, который приемлем с точки зрения уменьшения влияния погрешности R, и, во-вторых, не требуется,чтобы коэффициент усиления усилителя 12 был чрезмерно большим. Задание нужных характеристик усилителя 12 находится в рамках компетенции специалиста в этой области техники. При значениях такого порядка током IBC и напряжением VBC не следует пренебрегать, а для получения более высокой точности предпочтительно использовать напряжение VBC, полученное на выходе усилителя 12, чтобы определить ток Ifor утечки, используя приведенное выше уравнение (2'). Однако приближенный способ определения, основанный на уравнении(3), в котором не использовано напряжение VBC,также находится в рамках настоящего изобретения. Схема, описанная выше, содержит усилитель 12, который выполняет функцию цепи обратной связи и схемы для измерения напряжения VBC. Вариант осуществления этой схемы заключается в разделении функций путем использования первого усилителя для осуществления обратной связи и второго усилителя для измерения VBC. Поэтому цепь обратной связи,содержащая первый усилитель, может находиться в контакте с обсадной колонной в иных точках, чем точки В и С, например в точках А иD. Этот вариант воплощения обеспечивает большую гибкость. Кроме того, в соответствии с уравнением(3) или (2') для измерения тока утечки необходимо знать сопротивления участка обсадной колонны, в пределах которого измеряют падение напряжения. Учитывая приведенное выше замечание, нет необходимости точно знать указанное сопротивление. Это открывает различные возможности. Первая возможность заключается просто в расчете этих сопротивлений как функции доступных данных, относящихся к обсадной колонне на рассматриваемом уровне (внутреннего диаметра, наружного диаметра, удельного сопротивления), совместно с другими параметрами (расстояниями АВ, ВС, CD и температурой на рассматриваемом уровне). Другая возможность заключается в определении сопротивлений с помощью этапа измерения, который отличается от основного этапа,описанного выше. Создают условия для протекания тока на участках АВ, ВС и CD обсадной колонны, при которых отсутствует утечка в формацию. Это осуществляют посредством цепи, содержащей инжекционный электрод и возвратный электрод в контакте с обсадной колонной на уровнях, которые находятся вблизи уровней А и D соответственно. Измеряют паде 7 ния напряжений на рассматриваемых участках обсадной колонны. Согласно третьей появляется возможность определять сопротивления RAB или RCD одновременно с основной операцией. Это решение реализуют посредством цепи, схематично показанной на фиг. 3. Способ заключается в измерении сопротивления RAB или RCD на токе частотой f, которая отличается от частоты f0, используемой при основном измерении. Контур обратной связи имеет два усилителя 14-1 (фиг. 3) и 14-2 с соответствующими коэффициентами G1 и G2 усиления. Напряжение v приложено между усилителями 14-1 и 14-2. Это приводит к тому, что ток j протекает по контуру и по обсадной колонне,как показано пунктирными линиями. При заданных параметрах цепи ток j циркулирует, в основном, по толще обсадной колонны и не зависит от удельного сопротивления формации. Путем измерения тока j можно определить сопротивление обсадной колонны, используя следующее уравнение:(4) Напряжение VAB (или VCD) получают с помощью усилителя (не показан), входы которого подключают к электродам а и b (или с и d). Выше указывалось, что измеряют напряжение VAB или напряжение VCD. На практике выгодно измерять одновременно оба эти напряжения, поскольку это делает возможным получение на одном этапе двух измерений, соответствующих двум различным уровням в стволе скважины, одного для уровня В и другого для уровня С. Устройство для осуществления изобретения схематично показано на фиг. 4. Нефтяная скважина 10 снабжена обсадной колонной 11 и зондом 20, который подвешен на конце электрического кабеля 21, так что его можно перемещать по стволу скважины общепринятым способом. Кабель 21 соединен с наземным оборудованием 22, содержащим лебедку (не показана), устройство 23 сбора и обработки данных и источник 24 электроэнергии. Зонд 20 имеет четыре измерительных электрода а, b, с и d, которые можно приводить в контакт с обсадной колонной, чтобы задавать участки ab, bc и cd обсадной колонны, каждый из которых имеет длину, выбранную так, что она находится в пределах от 40 до 80 см. В описываемом варианте осуществления электроды а, b, с и d установлены на соответствующих рычагах 25, шарнирно закрепленных на зонде 20. Механизмы известного типа используют для того, чтобы развернуть рычаги от зонда и привести электроды в контакт с обсадной колонной, а после завершения измерений вернуть обратно в отведенное положение. Электроды выполнены таким образом, что после того как они приведены в контакт с обсадной колонной, их положения устойчиво фиксируются, и поэтому осуществляется 8 хороший электрический контакт с обсадной колонной. Зонд этого типа может быть изготовлен на основе прибора, описанного в патенте США 5563514. Указанный прибор, предназначенный для оценки катодной защиты обсадной колонны и степени ее коррозии, имеет двенадцать измерительных электродов, распределенных по окружностям на четырех уровнях, которые расположены на расстоянии друг от друга в продольном направлении, при этом расстояние между уровнями составляет примерно 60 см, а три электрода на каждом уровне расположены симметрично вокруг оси прибора, т.е. с угловыми промежутками 120 между соседними электродами. Однако в настоящем изобретении достаточно одного электрода на каждом уровне. Кроме того, зонд имеет токовые электроды, находящиеся за пределами расположения электродов a и d, т.е. верхний электрод In1 и нижний электрод In2, которые находятся на расстояниях от электродов а и b, которые могут быть одного и того же порядка или несколько больше, чем расстояние между электродами a иd, например на расстоянии нескольких метров. Изолирующие муфты 26, например муфты типа АН 169, обычно используемые фирмой Schlumberger, расположены по каждую сторону от центральной части зонда, несущей измерительные электроды a и d, чтобы изолировать их от токовых электродов In1 и In2. Токовые электродыIn1 и In2 могут быть выполнены в виде обычных центраторов, предназначенных для использования в обсаженных скважинах. Обычно такие центраторы снабжают колесами для осуществления контакта с обсадной колонной, а затем заменяют их элементами, пригодными для выполнения функций токовых электродов, при этом предусматривают провода для подключения к элементам, образующим электроды. Кроме того, зонд имеет сборочный узел электроники (не показан). Сборочный узел содержит усилители 12, 13, а также 14-1, 14-2. Предпочтительно выходные сигналы схем преобразуют в цифровую форму и передают на поверхность для обработки в блоке 23, чтобы определить удельное сопротивление формации. Устройство также содержит удаленный возвратный электрод In3, предпочтительно расположенный на поверхности возле устья скважины, если скважина достаточно глубокая, или на расстоянии от устья скважины. Кроме того,аппаратура содержит средства для подачи электроэнергии к электродам. Эти средства содержат наземный источник 16 питания и при необходимости дополнительный источник питания,расположенный внутри зонда, наряду с соответствующими переключающими схемами. Использование описанных выше средств позволяет определить ток Ifor утечки. Чтобы определить удельное сопротивление Rt формации, остается определить потенциал VB, обсад 9 ной колонны относительно опорной точки в бесконечности. Ниже указано, как определять потенциал обсадной колонны. Способ заключается в использовании опорного электрода, расположенного на поверхности на расстоянии от поверхностного возвратного электрода In3. Измеряют разностьVbs потенциалов между измерительным электродом b на уровне В обсадной колонны и опорным электродом. Используя указанное выше уравнение (1), формируют отношениеkVbs/Ifor, где k - указанная выше постоянная,чтобы получить удельное сопротивление Rt формации. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения удельного сопротивления геологической формации вокруг ствола скважины, снабженной металлической обсадной колонной, отличающийся тем, что в обсадную колонну подают электрический ток, а чтобы подать ток в формацию на заданном уровне, указанную обсадную колонну шунтируют цепью обратной связи, находящейся в контакте с ней на каждой стороне от измерительного уровня, при этом цепь обратной связи обеспечивает возможность поддержания тока,протекающего по обсадной колонне на заданном уровне, меньше тока, протекающего в цепи обратной связи, определяют разность между падением напряжений на соседних участках обсадной колонны, расположенных на каждой стороне от измерительного уровня, после чего рассчитывают ток (Ifor) утечки. 2. Способ по п.1, в котором отношение тока, протекающего по обсадной колонне на указанном уровне, и тока, протекающего в цепи обратной связи, устанавливают не больше, чем около 10-2. 3. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором измеряют падение (VAB, VBC, VCD) напряжения, по меньшей мере, на одном участке обсадной колонны, включая указанный уровень, определяют сопротивление (RAB, RBC, RCD) этого участка и получают ток утечки. 4. Способ по п.3, в котором сопротивление указанного участка обсадной колонны опреде Фиг. 1 10 ляют на основании номинальных данных,имеющих отношение к обсадной колонне на рассматриваемом уровне. 5. Способ по п.3, в котором сопротивление указанного участка обсадной колонны определяют на измерительном этапе, на котором электрический ток прикладывают к обсадной колонне так, чтобы не вызвать утечки в формацию. 6. Способ по п.3, в котором сопротивление указанного участка обсадной колонны определяют во время этапа, на котором измеряют падение напряжения путем измерения на другой частоте. 7. Устройство для определения удельного сопротивления геологической формации вокруг ствола скважины, снабженной металлической обсадной колонной, отличающееся тем, что оно содержит средства (24, In3) для приложения электрического тока к обсадной колонне, чтобы подать ток в формацию на заданном уровне,цепь (12) обратной связи, выполненную с возможностью контакта с обсадной колонной в точках (А', D'), расположенных на каждой стороне от заданного уровня, и для поддержания значения тока, протекающего по обсадной колонне на указанном уровне, меньшего по сравнению с током, протекающим в цепи обратной связи, и средство (13) для измерения падения напряжения, возникающего в результате утечки. 8. Устройство по п.7, в котором цепь обратной связи содержит усилитель (12) с высоким коэффициентом (G) усиления, входы (E1,E2) которого находятся в контакте с обсадной колонной и задают на ней участок (ВС), прилегающий к измерительному участку, а выходы(S1, S2) подключены соответственно к контактным точкам. 9. Устройство по п.8, содержащее средство для приложения напряжения (V) к прилегающему участку (ВС) обсадной колонны, при этом напряжение имеет частоту, отличную от частоты тока, приложенного для создания утечки в формацию, образующийся в результате ток (j) является показателем сопротивления указанного участка обсадной колонны.