К оглавлению

УДК 550.832.

Электромагнитное зондирование в нефтяных скважинах

Ю.Н. АНТОНОВ, С.С. ЖМАЕВ, А.П. БАЗЫЛЕВ (ИГГ СО АН СССР)

В практике нефтепромысловой геофизики нередко возникают трудности в определении характера насыщения пластов в сложных геолого-геофизических условиях. Примером являются пласты-коллекторы небольшой мощности или пласты, расчлененные высокоомными геологическими образованиями, и т. п. В таких случаях свойства горных пород изучают комплексом электрических методов каротажа, включающим наборы градиент- и потенциал-зондов, фокусирующие зонды бокового каротажа, а также соответствующие типы микрокаротажных установок. Практически повсеместно при изучении терригенных разрезов, вскрытых скважинами с пресной промывочной жидкостью (ПЖ), комплексы методов каротажа сопротивлений дополняют методом индукционного каротажа (ИК). Такой расширенный комплекс электрического каротажа позволяет выделять в разрезах скважин интервалы коллекторов и оценивать параметры продуктивных пластов, а также зон проникновения (ЗП), которые образуются за счет внедрения в проницаемые пласты фильтрата ПЖ. Однако электрические методы имеют ограничения, отрицательно сказывающиеся на их эффективности. Так, боковое каротажное зондирование (БКЗ), выполняемое стандартным комплексом градиент-зондов, характеризуется недостаточно высокой разрешающей способностью в области низких значений УЭС, а в условиях тонкослоистого разреза подвержено искажающему влиянию высокоомных прослоев за счет так называемых экранных эффектов. Результаты индукционного каротажа в интервалах продуктивных пластов могут существенно искажаться за счет влияния окаймляющей зоны (ОЗ), формируемой скоплением минерализованной воды на переднем фронте проникновения пресного фильтрата ПЖ. Высокочастотные электромагнитные методы каротажа и каротажного зондирования, как и электрические методы, предназначены для определения УЭС горных пород. Зонды высокочастотной аппаратуры имеют более высокую пространственную разрушающую способность и повышенную чувствительность к малым значениям УЭС. Теоретические предпосылки таких методов были сформулированы С.М. Аксельродом, Д.С. Даевым и развивались в работах С.Б. Денисова, И.М. Заслонова, А.И. Костина и др. Наряду с этими разработками перспективным является метод высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ), предложенный нами.

Основы метода ВИКИЗ. ВИКИЗ, как и большинство других высокочастотных методов, основан на возбуждении в скважине электромагнитного поля и измерении его характеристик с помощью трехкатушечных зондов. Решающее отличие ВИКИЗ от других электромагнитных методов заключается в зондирующем характере метода. Зондирование обеспечивается набором зондов различной глубины исследования. Новым характерным признаком зондов ВИКИЗ является их частотно-геометрическое подобие [2]. Это означает постоянство отношения размера базы DL (расстояние между измерительными катушками) к длине зонда L и постоянство произведения квадрата длины зонда на его рабочую частоту f для всех зондов. Таким образом, изопараметрами являются отношение  и  для всего комплекса зондов. Измеряемой характеристикой выбрана разность фаз между эдс, наведенными в двух измерительных катушках каждого зонда. В квазистационарном приближении подобие зондов обеспечивает одинаковую величину разности фаз, устанавливаемой зондами различной длины в однородной среде, а также одинаковый диапазон измеряемых УЭС.

При практической реализации метода необходимо оптимизировать параметры зондов и их число в зависимости от района работ, технологии бурения и решаемых в процессе каротажа задач. Оптимизация проводится с целью снижения основных методических погрешностей измерения. К числу таких погрешностей относятся влияния скважины на показания коротких зондов, диэлектрической проницаемости пластов высокого сопротивления на показания высокочастотных зондов, вмещающих пород на показания длинных зондов. Оптимизация параметров зондов для ВИКИЗ проводилась путем математического моделирования [2]. Набор исследованных моделей отражал известные из практики ситуации разведочного и эксплуатационного бурения на нефть и газ преимущественно в терригенных отложениях Западной Сибири. В результате получены следующие выводы.

1. Параметры зондов должны удовлетворять следующим условиям:  

2.    Влияние скважины (dc<=216 мм) на зонды ВИКИЗ будет незначительным, если длина самого короткого зонда не менее 0,5 м.

3.    Составом вмещающих пород можно пренебречь для всех зондов, если мощности исследуемого пласта в 1,5-2 раза превышает длину наибольшего зонда.

4.    Для выделения ОЗ низкого УЭС и восстановления радиальной структуры пласта в рамках четырехслойной модели необходимо использовать, по крайней мере, пять зондов с длинами от 0,5 до 2 м. При этом диаметр измененной проникновением фильтрата ПЖ части пласта не должен превышать 2 м.

Аппаратура. Результаты теоретических исследований явились базой для выбора основных характеристик аппаратуры электромагнитного каротажного зондирования (ЭМКЗ) [1]. В процессе экспериментальных работ созданы образцы аппаратуры ЭМКЗ, состоящие из скважинного и наземного приборов. Скважинный прибор содержит генераторный блок, зондовое устройство из пяти трехкатушечных зондов, приемно-усилительный блок, измерительную систему и блок питания. Измеренная каждым зондом величина разности фаз передается по каротажному кабелю в наземный прибор и после предварительной обработки выводится на регистратор.

Для уменьшения аппаратурных погрешностей и повышения точности измерения в скважинном приборе применены известные и нетрадиционные технические решения. К последним относятся схемы перекрестного измерения, временное разделение работы зондов, цифровой способ измерения с накоплением сигналов, синхронизация работы аппаратуры с помощью единого кварцевого генератора. Аппаратура ЭМКЗ позволяет измерять УЭС горных пород в диапазоне 0,4-200 Ом-м с помощью пяти зондов с длинами от 0,5 до 2 м при скорости регистрации до 2 км/ч. Скважинный прибор имеет длину 4 м, диаметр 73 мм, массу 60 кг и потребляет мощность 30 Вт.

Об интерпретации данных ВИКИЗ. Методика интерпретации данных ВИКИЗ в общем случае укладывается в рамки традиционных подходов обработки и интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС) и, в частности, электрических методов каротажа, которыми предусматривается два основных этапа: геофизическая и геологическая интерпретация. Основной задачей геофизической интерпретации результатов ВИКИЗ является определение истинных значений УЭС пластов в разрезе скважины. Она включает такие этапы, как оценка качества первичного материала, определение границ пластов, считывание существенных значений электрических сопротивлений и введение поправок. На заключительном этапе строят кривую зондирования, которая представляет собой зависимость кажущихся сопротивлений  (ось ординат) от длины зондов L (ось абсцисс). Кривая зондирования отражает структуру распределения электрических неоднородностей вокруг скважины. Благодаря пространственной локальности исследования (фокусировка ослабляет влияние скважины, а скин-эффект уменьшает влияние внешних областей), зонды ВИКИЗ малой и средней длины дают такие значения кажущихся УЭС, которые точнее отражают распределение УЭС в ЗП коллекторов, а более длинные зонды - за ее пределами. Поэтому область скопления минерализованных вод перед фронтом внедрения фильтрата ПЖ в продуктивные пласты (ОЗ низкого сопротивления) отражена на кривой зондирования ВИКИЗ (рис. 1, А). При этом, чем контрастнее ОЗ относительно промытой части и незатронутой проникновением фильтрата части продуктивного пласта, тем характернее конфигурация изменений  на кривой зондирования. Следовательно, кривые зондирования, соответствующие нефтегазонасыщенным и непродуктивным пластам, могут резко отличаться. Для водонасыщенных пластов с повышающим проникновением фильтрата ПЖ кривые зондирования характеризуются плавным изменением кажущихся сопротивлений от повышенных значений к более низким (рис. 1, Б). Указанный ход кривой зондирования удовлетворительно аппроксимируется теоретической кривой для модели среды с одной цилиндрической границей раздела между высоким значением УЭС в цилиндрической области и низкой величиной УЭС во внешней среде. Наклоны кривой зондирования относительно горизонтальной оси графика зависят не только от соотношения УЭС в этих областях, но и от размера ЗП.

Таким образом, на заключительном этапе геофизической интерпретации кривые зондирования должны быть сопоставлены с теоретическими кривыми моделей среды для оценки  и размеров этих зон.

Результаты скважинных измерений методом ВИКИЗ. Задачи интерпретации данных ВИКИЗ наиболее целесообразно рассмотреть на конкретных примерах. Во-первых, удобно подтвердить ряд теоретических и методических выводов, а во-вторых, предоставляется возможность показать эффективность изопараметрических зондов в сложных геолого-геофизических ситуациях, когда решение задач существующими методами электрокаротажа затруднено. Большинство измерений методом ВИКИЗ выполнены в разрезах мезозойско-каинозоиских терригенных отложений Западной Сибири, для которых характерно повышающее проникновение фильтрата ПЖ в проницаемые пласты. Интервалы таких коллекторов надежно определяются по значительной разнице существенных значений УЭС на отдельных зондах (рис 2, А) в скв. 3500 Быстринской.

В случаях равенства УЭС пласта и ЗП, а также при отсутствии проникновения, что характерно при бурении скважин с применением растворов на нефтяной основе, метод ВИКИЗ не может быть использован для выделения коллекторов по проникновению фильтрата ПЖ.

Характерным признаком продуктивных пластов является наличие ОЗ (рис. 2, Б), обнаруженных в скв. 3500 Быстринской, где наибольшие значения кажущихся сопротивлений, зарегистрированные короткими зондами И10,15И20, 35Г и И,0,21И20,49Г, отражают характеристику ЗП, наименьшие значения, отмеченные зондом И10,3И20.7Г, соответствуют ОЗ, а показания длинных зондов И10.42И20.98Г и И10.6И21.4Г характеризуют в основном неизмененную часть пласта, хотя на показаниях зонда И10,42И20,98Г в небольшой степени отражается влияние ОЗ. В зависимости от величины коэффициентов нефтегазонасыщенности (Кнг) контрастность характеристики ОЗ может изменяться. Ниже определенных пределов нефтенасыщенности ОЗ может отсутствовать. Для малоглинистых песчаных коллекторов Западной Сибири ОЗ уверенно фиксируется при значениях Кнг, превышающих 50 % и исчезает при Кнг<50 %. При снижении Кнг в сторону отмеченной граничной величины кривые зондирования выполаживаются, однако они отличаются от теоретических, соответствующих среде без ОЗ. Наличие ОЗ является, с одной стороны, важнейшим дополнительным поисковым признаком продуктивных пластов, с другой, позволяет прогнозировать флюид, получаемый при испытании рассматриваемого интервала. Наличие ОЗ позволяет уверенно говорить о том, что из данного интервала будет получен приток нефти. Из пластов, в интервалах которых не фиксируется ОЗ, следует ожидать приток воды или воды с нефтью.

Свойство зондов высокочастотного индукционного каротажа, реализующее хорошее расчленение пород низкого сопротивления, может быть использовано для более детального изучения глинистых отложений, в том числе с позиции рассмотрения их, как опорных отражающих горизонтов. Трудности оценки акустических характеристик глинистых пород Западной Сибири по результатам ультразвукового и плотностного каротажей известны [2]. Комплекс ВИКИЗ в данном случае позволяет восстановить детальную картину поинтервальных УЭС глинистых отложений (рис. 2, B) и при необходимости может быть использован для оценки их акустических параметров. Анализ показал [3], что корреляционные связи пластовых скоростей песчано-глинистых пластов и их УЭС, полученных зондами ВИКИЗ и с учтенными погрешностями определений величин  и  могут быть достаточно высокими (рис. 3).

Таким образом, ВИКИЗ в комплексе с другими методами ГИС позволяет надежно выделять интервалы коллекторов, определять характер их насыщения, прогнозировать флюид-порозаполнитель, который будет получен при испытании, давать дополнительную информацию по электрическим свойствам глинистых интервалов, а при необходимости успешно прогнозировать акустические характеристики разрезов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      А. С. 1004981 СССР. Устройство длякаротажного электромагнитного зондирования /Ю.Н. Антонов, С.С. Жмаев, В.И. Большаков идр. // Заявлено 00.05.1981 (21).- Опубл. в Б. И.,1983, № 10.

2.      Базылев А.П. Определение пластовых скоростей в отложениях центральной и юго-восточной частей Западно-Сибирской плиты по акустическому каротажу и результаты сравнения с сейсмокаротажем // В кн.: Геоакустические исследования по многоволновой сейсморазведке.- Новосибирск.- 1987.- С. 119-132.

3.      Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ). Методические рекомендации / Сост. Ю.Н. Антонов, С.С. Жмаев.- Новосибирск: - Наука.- 1979.

 

Рис. 1. Палетка ВИКИЗ:

А - для продуктивного пласта с наличием ОЗ (шифры: 8-256); шифр кривых-=32 Ом-м; =4 Ом-м;  (- радиус ОЗ и ЗП); Б - для коллекторов без ОЗ; шифр кривых-=32 Ом-м

 

Рис. 2. Выделение коллекторов (А), выявление ОЗ в нефтяных пластах (Б) и расчленение глинистых интервалов низкого сопротивления (В) по данным ВИКИЗ в скв. 3500 Быстринской

 

Рис. 3. Пример высокой корреляционной связи данных АК и ВИКИЗ по скв. 3500 Быстринской