Способ определения структуры горных пород, пересеченных скважиной

(19) (11) 01 Ч 330 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН н двтоРсном идетельст четинследоваомысловой промысловав нефти ис.20-28,тотромысловои оборудос.225-,237 45724,977 (прототип).ДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫЕННЫХ СКВАЖИНОИ,уждении в горныхного поля .с.заой симметрии отны, вращенииля вокруг .оси 3. Патент США Ркл. 324/6, опублик.(54)(57) СПОСОБ ОПРЕГОРНЫХ ПОРОД, ПЕРЕСЕзаключающийся в возбпородах электромагниданным порядком осеносительно оси скважэлектромагнитного и УДАРСТВЕНКЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕКИЙ И ОТКРЬПИЙ,134-135.2. Кривко Н.Н. и др. Пгеофизическая аппаратураванне. М., "Недра", 1981 скважины, причем частоту вращения выбирают не менее чем.в два раза больше верхней граничной частоты % в частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении ха,рактеристики электромаг,;итного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повйшейия производительности труда, выделяют из час ного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до к и составляющие спектра электромагнитного сигнала с частотами пт, где й = 1,2,3 по ампли- ЕФ туде составляющих спектра с частотамн.от нуля до 1 судят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу. скважины, а по наличию составляющих спектра с частотами оГ и их амплитудам судят о Я структуре горных пород и степени их неоднородности.Изобретение относится к промысловой геофизике, более конкретно к методам определения структуры горных по-. род, слагающих разрезы скважин, и может использоваться для выявления зон трещиноватости, карстовых пустот и других неоднородностей в разрезах нефтяных, газовых, гидрогеологических и прочих скважин, бурящихся с целью разведки и дОбыЧи полезных ископаемых. 10Известен способ определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающийся в отборе керна из определенных интервалов разреза скважин и последующем изучении его 15, микроструктуры невооруженным глазом, а также изучении микроструктуры путем изготовления из керна больших шлифов и их исследования. При сплошном отборе образцов пород по всемУ 20 разрезу скважин можно получить сведения о характере проходимых пород и последовательности их залегания ГП .Однако при современйом развитии техники бурения сплошной отбор образцов пород является экономически нецелесообразным и применяется лишь в исключительных случаях для скважин специального назначения. В эксплуатационных нефтяных и газовых скважинах керн как правило не отбирается. Лишь примерно в. 10 скважин эт общего фронда скважин этой категории проходку интервалов залегания нефтяных или газовых пластов производят колонкови- ми долотами для получения дополнитель ных сведений о коллекторских свойствах продуктивных пород.Известен также способ определения структуры горных пород,по которому в скважине возбуждают ймпульсное 40 акустическое поде с заданным порядком осевой симметрии, вращают его вокруг оси скважины, причем частоту вращения выбирают ие менее, чем в два раза больше граничной частоты45 в частотном спектре каротажной кривой (3"4 Гц скорости перемещения по оси скважины 15 м/ч), перемещают поле по стволу скважины, измеряют и регистрируют параметры отраженного от стенок скважины акустического поля, характеризующие структуру поверхности скважины. Этот способ позволяет определять. структуру поверхности сте. нок скважины трещины,нарушения колонны, перфорационные отверстия 1 С 22.55Данный сйособ характеризуется малой разрешающей способностью около 2 мм при благоприятных условиях), раскрытость же трещин вгарных породах измеряется единицами, десят ками микрон. Вероятность наличия в горных породах трещины с раскрытостью 2 мм очень низка, Кроме того, способ позволяет получать информацию о структуре поверхности стенок сква жины, а не объема горных пород, прилегающих 1 скважиие, структура жеповерхности скважины в открытом стволе в сильной степени определяетсяпроцессом бурения (искусственная,трещиноватость, желобы и т.д.) Недостатками способа являются также низкаяпроизводительность способа (удовлетворительная разрешающая "пособностьдостигается при скоростях перемещения поля 15 м/ч, при больших скоростях она резко падает); зависимостьразрешающей способности от удельноговеса глинистого раствора, заполняющего скважину, наличия в нем газовыхпузырьков и утяжелителей.Наиболее близким по техническойсущности к .предлагаемому являетсяспособ определения структуры горныхпород, пересеченных скважиной,заключающийся в возбуждении в горныхпородах электромагнитного поля сзаданным порядком осевой симметрииотносительно оси скважины, вращенииэлектромагнитного поля вокруг осискважины, причем частоту вращения 1выбирают не менее чем в два раза больше верхней граничной частоты Г в частотном спектре каротажной кривой, перемещении:электромагнитного поля пооси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород.Этот способ позволяет выявлять породы, обладающие аниэотропной структурой (трещиноватостью, сланцеватостьюи т.д.) 131,Однако этот способ характеризуется невозможностью выделения в структуре горных пород нескольких систем.трещин или каверн и изменения ихперпендикулярно оси скважины. Для получения всей необходимой инфОрмациинеобходимо производить несколькоспуско-подъемных операций, чтобы произвести измерения на разных частотах.Целью изобретения является повышение производительности труда. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения структуры горных пород, пересеченных скважиной, заключающемуся в возбуждении в горных породах электромагнитного поля с заданным порядком осевой симметрии относительно оси скважины, вращении электромагнитного поля вокруг оси скважины, причем частоту вращения 7 выбирают не менее чем в два -аза больше верхней граничной частоты Г в частотном спектре каротажной кривой, перемещении электромагнитного поля по оси скважины, измерении характеристики электромагнитного поля, по которым определяют удельное электрическое сопротивление горных пород, выделяют из частотного спектра электромагнитного поля частоты, занижающие область частот от нуля до Р и составляющие спектра электромагнитного поля с частотами 1 , где й = 51, 2, 3 по амплитуде составляющих спектра с частотами от нуля досудят об изменении удельного электрического сопротивления пород по разрезу скважины, а по наличию . 10 составляющих спектра с частотами пЕ и их амплитудам судят о. структуре горных пород и степени их неоднородности.Наиболее резко реагирует на из менение структуры породы их электрическое удельное сопротивление, поэтому применение электромагнитных полей различных частот более благоприятно.20Как известно, удельное электрическое сопротивление пород обусловлено наличием в них пор, трещин и других структурных неоднородностей, в которых содержится пластовая вода. В зависимости от характера распределения в породе пор и трещин сопротивление ее в различных направлениях может быть неодинаковым. На этой особенности удельного электрического сопротивления пород основано изучение их структуры предлагаемым способом.При изменении ориентации токовых линий поля относительно, структурных неоднородностей изменяется и измеряемая характеристика поля, несущая ин " формацию об удельном электрическом сопротивлении пород.Наиболее часто встречающимися в горных породах неоднородностями 40 являются кавернозность и трещиноватость. Установлено, что в горных породах в общем случае возникает группа из двух сопряженных систем трещин, пересекающих в плане под 45 прямым или близким к нему углом. Подавляющее большинство трещин пересекает под крутыми углами плоскость напластования, образуя с ней двуГранный УГОЛ, близкий к прямому. 50 Возможно также существование одной сйстемы параллельных вертикальных трецин.Эти закономерности развития трещиноватости позволяют использовать для определения структуры горных пород вращающиеся электромагнитные поля с осевой симметрией малых порядков (порядок симметрии не более двух).На фиг.1 и 2 представлены картины токовых линий поля с осевой сим метрией 2-го порядка и осевой симметрией 1-го порядка соответственно; на фиг.3 - зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пластах горных пород с неоднородной 65 структурой , на фиг .4 - сумма составляющих спектра частот кривой на фиг.3 с.частотами от нуля до Фна фиг,5 - составляющие спектра с частотами п, на Фиг.б и 7 - изменения во времени измеряемой характеристики поля в случае применения поля, обладающего севой симметрией 1-го порядка, для однородного пласта на фиг.8 и 9 - то же, для пласта с карстовой пустотой на фиг.10 и 11 - то же, для пласта, рассеченного системой параллельных трещин, перпендикулярных плоскости напластования на фиг.12 и 13 - то же, для пласта, рассеченного двумя системами взаимно перпендикулярных трещин; на фиг.14 - структурная схема одного из вариантов аппаратуры, реализующей предлагаемый способ.На фиг.1 и 2 обозначены: 1 - токовые линии поля 2 - сечение скважины плоскостью, перпендикулярной ее оси; 3 - продольная ось скважины.Поле с осевой симметрией 2-го порядка может быть создано магнитнымдиполем, ось которого перпендикулярна оси скважины.Поле с осевой симметрией 1-го порядка может быть получено созданием фокусированного пучка тока, истекаюцего с части поверхности центрального электрода зонда трехэлектродногобокового каротажа. При вращении такихполей в плоскости, перпендикулярнойоси скважины, и при наличии в пластеструктурных неоднородностей измеряемая характеристика поля, характеризуюцая удельное электрическое сопротивление пород ЭДС вторичного магнитного поля, отношение амплитудв точках измерения, разность потенциалов, ток центрального электрода и т.д.), является периодической функцией времени, причем частота измененияэтой характеристики зависит от характера структурной неоднородности.Так как при исследовании скважин необходимо иметь сведения не только о структуре пород, но и о распределении удельного электрического сопротивления пород по глубине скважины, то электромагнитное поле. необходимо перемещать по оси скважины. При этом измеряемая характеристика поля изменяется такзсе в зависимости от распре" деления удельных элект ических сопро" тивлений по глубине скважины. Вид зависимостиизменения измеряемой характеристики поля в этом случае приведен на фиг.3-5.На фиг.3-5 обозначены: 4 - ось измеряемой характеристики поля, 5 - ось времени, б - зависимость измеря- емой характеристики поля в пластах с неоднородной структурой, 7 - зависимость суммы составляющих спектраНа Фиг.бизображены; 9 - горная порода, 10 - зависимость измеряемой характеристики поля от времени в однородном пласте; 11 - на-правление вращения электромагнитного поля, 12 - карстовая пустота, 13 - зависимость измеряемой характеристики цоля от времени в пласте с неоднородностью в виде карстовой пустоты, 14 - трещина, 15 - зави-симость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с одной системой вертикальных трещин; 16- зависимость измеряемой характеристики поля от времени в пласте с двумя системами взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, Т - время, соответствующее одному обороту поля вокруг оси скважины. фПринято для иллюстрируемых Фигур, 60 что электромагнитное поле по оси скважины не перемещается.Однородный пласт характеризуется постоянным во времени значением измеряемой характеристики поля, 65% 50 частот кривой б. с частотами от нуля доот времени, 8 - зависимость составляющих спектра с частотами Г .Так как каротажные кривые, т.е. зависимости измеряемых параметров от глубины скважины, являются функци ями, ограниченными по частоте то частотный спектр кривой 6 будет состоять из двух областей частот; первая область, обусловленная зависимостью измеряемой характеристики поля 10 от глубины скважины, включает частоты от нуля до верхней граничной частотыпри скоростях каротажа до 2500 м/ч, не превышающей 3 Гц, вторая область частот, обусловленная 15 наличием в породе структурных неоднородностей, содержит частоты, кратные частоте т вращения поля. Для надежного разделения этих областей частот необходимо, чтобы частота вращения поля т была по крайней мере в два раза больше граничной частоты Г каротажной кривой. Таким образом, вторая область частот (в зависимости от характера структурных неоднородностей) может включать частоты б, 12, 18, 24, Гц. На фиг.4 приведены составляющие каротажной кривой б, кривая 7 с частотами, кривая 8 с частотой й , где И = 1, 2, 3,На фиг,7, ", 11 и 13 представлены изменения во времени измеряемой характеристики поля, характеризующей удельное электрическое сопротивление пород в случае использования поля, обладающего осевой симметрией 1-го порядка,для однородного пласта и для пластов с различными типами структурных неоднородностей. 40 т.е. не зависящей от, угла поворотатоковых линий поля. При наличии впороде карстовой пустотности 12(фиг.8) характеристика поля будетизменяться с частотой, равной частоте вращения поля, и будет иметь видкривой 13 (фиг.9). При наличии в породе одной системы вертикальных трещин 14 (фиг.10) измеряемая характеристика поля будет изменяться с частотой, равной удвоенной частоте вращения, поля и будет иметь вид кривой 15. Если в породе присутствует,две системы взаимно перпендикулярных вертикальных трещин, то частотаизменения характеристики поля будетпроисходить с частотой, равной 4 т"что соответствует кривой 16 (фиг,13),Таким образом, по наличию в спектре частот каротажной кривой, составляющих с частотами, кратными частотевращения поля, можно судить о структуре горных пород, пересеченныхскважиной:однородчый пласт характеризуетсяпостоянным во времени значением измеряемой характеристики, т.е. отсутствием в частотном спектре составляющих с частотами Ь Гкарстовая пустота (кавернами характеризуется наличием в частотном спектре измеряемой характеристики составляющей, равной частоте вращенияполя Гналичие в горных породах однойсистемы вертикальных трещин определяется по наличию в спектре характеристики поля составляющей с частотой 2 Уналичие в горных породах двухвзаимно перпендикулярных систем вертикальных трещин определяется по наличию в спектре .характеристики полясоставляющей с частотой 4 тЛмплитуда составляющих с частотами й Р характеризует степеньнеоднородности каждого из видовструктурных нарушений.Структурная схема аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, содержит скважинный прибор 17 боковоготрехзлектродного каротажа измерительный преобразователь 18 фильтр19 нижних частот (ФНЧ), полосовыефиль тры 20, 20, , 20 п,регистрирующие устройства 21 А, 21,218 . . . 211, элемент 22 поверхности центрального электрода.Аппаратура состоит из скважинного прибора 17, представляющего собойприбор трехэлектродного бокового каротажа, на поверхности центральногоэлектрода которого выделен элемент 22поверхности, изолированный от остальной части электрода. С поверхностиэлемента 22 центрального электродаистекает фокусированный пучек тока,Форма которого указана на фиг.2.Элемент 22 поверхности вращается вокруг оси прибора механическим илиэлектронным путем. Иэмеряе 4 ыми характеристиками поля являются ток 3,протекающий через элемент 22,и потенциал 0 этого участка относительно удаленной точки. Информация отоке , и потенциале О передается в измерительный преобразователь 18,где они преобразуются в напряжениепостоянного тока, пропорциональное 10измеряемому удельному электрическомусопротивлению пород. С выхода преобразователя 18 напряжение подаетсяна ФНЧ 19,и полосовые фильтры 204,20 п. ФНЧ 19 выделяет из частотного спектра выходного сигнала измерительного преобразователя областьчастот от нуля до У , т,е. до 3 Гц.Сигнал с такими частотами характеризует изменение удельного сопротивления по глубине скважины и регистрируется регистрирующим устройством21, в виде диаграммы средних удельных сопротивлений в функции глубиныскважины. Полосовые фильтры 20, , 2 ОЙ выделяют соответственно сигналы с частотами Х ,.2 У , ЗФ Фф .Практически достаточно ограничиться пятью полосовыми фильтрами. Сигналы с выходов фильтров 20,. ".,20 п регистрируются регистрирующими устройствами 21 ,.21, . По наличию сигналов на выходе того или иного Фильтра судят о характере структурной неоднородности, а по их амплитудам " о степени неоднородностиВ процессе исследований скважинный прибор центрируется таким образом, что осъ вращения электромагнитного поля совпадает с осью скважины.Предлагаемый способ в отличие от известного обладает высокой экономичностью и высокой производитель" ностью и"следований; кроме того, позволяет получать сведения.не толъко о структуре пород в каждой точке глубины скважины, ио и о распределении удельных сопротивлений по глубине ",кважины.10 б 7458 Риз ю ференц к дписное Заказ 11205/90 Тирак 715ВНИИПИ Государственного ко ССпо делам изобретений и отк113035, Москва, Ф, Ра б. митета рытийушская на