Вычислительное каротажное устройство для обработки результатов сверхвысокочастотного электромагнитного каротажа

СОЮЗ СОЕЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУ БЛИН 119) (11) 1 Ч 3/ БРЕТЕНИЯ ЕНТО( 2628946/18-2516.06.7880698316,06.77(72) (53) (56) метод НедраПа кл е ские 05. АЖНОЕАТОВГНИТвтеррых ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ 15.05.86 Бюл. У 18Шпюмбергер Оверсиз,Джордж Р.Коутс (08)550.837(088.8)Комаров С.Г. Геофизичы исследования скваж1973, с. 43-51, 10тент США В 394910,24-6, 1973.(54)(57) 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ КАРОТ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОИА НОГО КАРОТАЖА, содержащее коипь с двумя входами, на один из кот поступает сигнал, характеризующий затухание сверхвысокочастотной тромагнитной волны, прошедшей черезисследуемые породы около буровойскважины, а на другой - сигнал, равный фазовому сдвигу между двумя точками измерений, о т л и ч а ю щ е -е с я тем, что, с целью обеспеченияизиерения проводимости горных пород,заполненных водой, оно содержит блокопределения проводимости воды в породах, окружающих скважину, и блок определения пористости этих пород, квходам которого подсоединены линиисигналов затухания фазового сдвигаи проводимости воды,2. Устройство по п.1, о т л и -ч а ю щ е е с я теи, что блок опре- Еделения пористости содержит уиножитель для усиления сигналов и фазового сдвига и схему сравнения, квходаи которой подключены выхоД умФъножителя и выход блока определения Фпроводимости воды.1 12Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и предназначено для определения физических свойств горных пород, окружающих буровую скважину. Когда пористость уже известна по другим данным каротажа, изобретение можно использовать для определения проводимости воды в горных породах, окружающих буровую скважину, ипи для определения насыщения воды. Предполагается, что горные породы представляют собой матрицу, которая может состоять из любого твердого материала горных пород, и в этой матрице содержится жидкость либо в пространствах пор, либо в промежутках между ниии. С помощью данного устройства возможно определение объема воды или проводимости воды, содержащейся в горных породах,Удельное сопротивление (проводи, мость) горных пород обычно измеряют при относительно низких частотах либо с помощью электрического каро тажа, либо путем индукционного каротажа. Определенная таким образом электрическая проводимость горных пород в значительной степени является функцией объема воды и ее прово" димости. Для обычных каротажных усгройств, с помощью которых определяют удельное сопротивление, измеряемая проводимость горных пород равна произведению двух величин, одна из которых является заполненной водой пористостью горных пород, возведенная в . соответствующую степень, а другая - проводимостью воды.Для большинства горных пород показатель степени обычно равен 2, так что измеренная сложная проводимость пород изменяется приблизительно как квадрат заполненной водой пористости в линейной зависимости. от проводимости воды, содержащейся в горных породах. Используя это соотношение вместе с дополнительными данными, полученными при каротаже или отборе кернов,. можно определить объем или проводимость воды. Например, если для данной зоны пласта горных пород известна проводимость воды, то можно определить заполненную водой пористость пласта в зоне, используя измеренную величину проводимости пласта и указанное соотношение. Или если заполненная водой пористость является известной величиной, то можно оп 45 50 55 Поставленная цель достигается тей, что в вычислительное каротажное устройство для обработки результатов сверхвысокочастотного электромагнитного каротажа, содержащее компьютер с двумя входаии, на один из которых поступает сигнал, характеризующий затухание сверхвысокочастотной электромагнитной волны, прошедшей через исследуемые породы около буровой скважины, а на другой - сигнал, равный фаэовому сдвигу между двумя точками измерений,дополнительно введены блок определения проводимости 32131 .1,ределить проводимость воды, насыщающей пласт.Известно устройство для каротажа(ЕМР), которое. позволяет исследоватьгорные породы, окружающие буровуюскважину, путем излучения микроволновой электромагнитной энергии в исследуемую среду и измерений ее распределения в среде,При работе такого устройства создаваемая микроволновая энергия распространяется в виде поперечных волнв среде, прилегающей к поверхностираздела между буровым раствором истенкой скважины в так называемой зоне проникновения. Энергию поперечной волны измеряют разнесенными установками и по ней судят о физических,свойствах горных пород.д Указанное устройство содержитвычислительное каротажное устройство для обработки результатов сверхвысокочастотного электромагнитного каротажа, включающее компьютер с двумя25 входаии, на один из которых поступаетсигнал, характеризующий затуханиесверхвысокочастотной электромагнитной волны, .прошедшей через исследуемые породы буровой скважины, а наЗОдругой - сигнал, равный фазовомусдвигу между двумя точкаии измерений,Это устройство позволяет производить вычисления для уточнения границилитологии горных пород, окружащщюхскважину, Однако все вычисления наи 35более важных параметров для подсчетапродуктивности пластов, таких какпористость и характер ее заполнения,производятся вне этого устройства,что является его недостатком.Целью изобретения является обеспечение измерения проводимости горныхпород, определение пористости пород,заполненных водой.воды в породах, окружающих скважину,и блок определения пористости этихпород, заполненных водой, к входамкоторого подсоединены линии сигналовзатухания фазового сдвига и проводимости воды,При этом блок определения пористости содержит умножитель для усиления сигналов затухания и фазовогосдвига и схему сравнения, к входамкоторой подключены выход умножителяи выход блока определения проводимости воды.Проводимость, определенная с помощью каротажного устройства, основанного на измерении распространения электромагнитных волн (ЕМР-типа)б , связана с проводимостью водыЕМРв породах 6 и является практическилинейной функцией заполненной водойпористости Р т.е. 1 О 15 20 Параметр 6 является проводимос тью воды и определяется как токами смещения, так и токами проводимости. Это соотношение можно сопоставить с обычно получаемым соотношением для устройства каротажного типа 30 по определению удельного сопротивления или проводимости на низких час- тотаХ 12) 35 6 =Р б где о - проводимость пласта, измеренная с помощью каротажного устрой.ства для определения удельного сопротивления или проводимости на низ ких частотах полностью насыщенного водой с проводимостью 6, Для большинства типов горных пород ш обычно имеет значение около 2, но для устройства типа ЕМР применимым является соотношение (1), т.е. показатель пористости равен 1.Предлагаемое устройство применяется для определения заполненной водой пористости горных пород, окружающих 50 буровые скважины. Если величина пористости уже известна из другой информации, полученной при каротаже, устройство можно испольэовать для определения проводимости (кажущейся 55 проводимости) воды в горных породах, окружающих буровую скважину. Можно также определить насыщение их водой. Предполагается, что пласт горной породы представляет собой матрицу, которая может состоять иэ любого твердого минералогического материала, Заполненная водой пористость означает, что часть единичного объема пласта (матрица плюс жидкость) заполнена водой, В устройстве предусмотрены блоки для определения затухания микроволновой электромагнитной энергии, распространяющейся между разнесенными в пространстве точками в скважине, причем эта величина является, например, константой затухания о., Разработаны также блоки для ,определения относительного фазового сдвига микроволновой электромагнитной энергии, распространяющейся между разнесенными в пространстве точками измерений, причем эта величина является, например, фазовой константой , и блоки для определения проводимости воды в пласте. Исследуется эона проникновения, окружающая скважину, а проводимость воды можно определить по проводимости бурового раствора, который используют при бурении, и фильтрату шлама. Предложены узлы для определения параметра, который прямо пропорционален произведению г и р и обратно пропорционален проводимости воды в пласте.Полученный параметр обозначает заполненную водой пористость Р пласта, прилегающего к скважине.По изобретению определяют проводимость били кажущуюся проводимостьводы в пластах, окружающих скважину.Предусмотрены узлы для определениявеличины, представляющей заполненнуюводой пористость пласта, причем этувеличину, характеризующую пористосФь,получают, например, в соответствии сизвестным устройством. Предложенытакже узлы для получения пятой вели. чины, которая прямо пропорциональнапроизведению первой и второй величин,и обратно пропорциональна полученной величине, характеризующей пористость.Полученная пятая величина является характеристикой проводимости о водыИ в пластах, прилежащих к скважине. Для определения кажущейся проводимости воды 6предусмотрены устройства, позволяющие определить полную пористость горных породф , которую можноВполучить, например, с помощью известных устройств для нейтронного, плот 1232131ностного или акустического каротажа.Пятую величину определяют точно так же, однако в этом случае, используя Я в качестве величины, характеризующей пористость, полученная пятая величина является характеристикой кажущейся проводимости 6 воды в исследуемой среде.На фиг, 1 изображена блок-схема 1 рустройства; на фиг. 2 - модель распространения микроволновой электромагнитной поперечной волны в пластегорной породы; на фиг. 3 - блок-схеми амплитудного компаратора; нафиг. 4-7. - варианты блок-схем каротажного вычислительного устройства.Согласно выражению (2) рассмотримплоскую электромагнитную волну,распространяющуюся в .диэлектричес О кой среде без потерь. Такая волна распространяется со скоростью1Ч= (3)фТ25где 1 - магнитная проницаемость;- диэлектрическая постояннаясреды.Если среда является немагнитной,д можно рассматривать как известнуюконстанту, а Я можно определить изсоотношенияЕ= (1Р35Рассмотрим две точки, расположенные в определенном пространственном отношении вдоль направления распространения волны. Для заданной угловой частотыиЗ разность фаз волны для 40 двух точек составляетиЭ ЬЧф45где Ь - расстояние между двумя точками, т.е. базой измерений;р - фазовая константа волны.Предыдущие соотношения пригодны 50 для среды, в которой не происходят потери, однако подлежащая исследованию среда обычно обладает заметной проводимостью. Константа распространенияплоской электромагнитной волны, распространяющейся в средебез потерь, является комплексной(7) где ос связано с затуханием волны или потерями. Константу распространения используют в известном волновом уравнении в виде 3, так что действительная часть константы распростра" нения становится мнимой частью экспоненты и наоборот. Возводя в квадрат уравнение (6) и (7) и приравнивая действительные и мнимые части, получаемФ= ЦЕ 1 (В)и 2 м р =6 д, (9)Уравнение (9) можно использовать для определения проводимости в виде2 ы фЫ:4 оЭ(1 О.)Эта проводимость, определенная с помощью каротажного устройства типа ЕМР для определения распростране" ния микроволновых электромагнитных волн,и обозначенная 8 м , связана с проводимостью воды в формации 6 какИ практически линейная функция заполненной водой пористости. Как следует из выражения (1), где 6 являетбмРся проводимостью, определенной с помощью устройства ЕИР,СР является заполненной водой пористостью пород, а 6 - проводимостью воды в пластах и включает как "ДС" провоцимость, так и проводимость, связанную с диэлектрическими потерягде о - проводимость среды. Для случая, когда 6 равно О или очень6мало членом (тангенс угла поУоЭЕтерь) можно пренебречь, и имеем У=ф= о 3 Е , что соответствует уравнению для случая без потерь. Однако, когда б значительно, член тангенса угла потерь можно сохранять относительно малым за счет выбора относительно большойи 3 . Измерения диэлектрической постоянной можно далее исправить на тангенс угла потерь.Для лучшего понимания устройства вначале представляем действительную и мнимую части константы распространения у, как р и Ы соответственно, и получаемволна непрерывно передает энергию обратно в среду с большими потерями (глиняная корка), и те части энергии, которые распространяются в направлении расположения приемников 10 и 11, представлены стрелками 16 и 17 соответственно. Если отрезки пути, представленные стрелками 16 и 17, предположить практически равными, то разность между полученной энергией 10 О (по пути 13-14-16) и энергией 11 (по пути 13-14-15-17) определяется расстоянием, представленным стрелкой 15, т.е. расстоянием между приемниками. Соответственно устройство дифференциального приемника позволяет исследовать часть пород, расположенных приблизительно напротив разнесенных приемников 10 и 11. Обычно исследуемые породы сопровождаются зонами 20 проникновения, которые окружают глиняную корку в скважине и содержат жидкости из шлама, которые фильтруются через эту глиняную корку.25Генератор 18 (Фиг. 1), выполненный из микросхем на твердом теле, возбуждает энергию в микроволновой области спектра в интервале частот между около 300 МГц и 300 Ггц, Генератор 18 может работать на частоте30 1,1 Ггц, т,е. 1,1 х 10 Гц. Выход ге 9нератора 18 соединен через аттенюатор 19 с передающей антенной 9 и излучает энергию в окружающие породы. Энергия, которая достигает приемных антенн 10 и 11 соответственно, попадает на выходные клеммы смесителей 20 и 21. Измеряемые сигналы от приемников 10 и 11 отличаются по фазе по отношению друг к другу на величи ну, которая зависит от фазовой константы р., а отношение их амплитуд зависит от константы затуханиями . На вторые входные клеммы смесителей подают микроволновую энергию с частотой, которую Формируют из частоты передатчика. Эта частота находится в интервале радиочастот. Генератор 22 подает микроволновую энергию в смесители 20 и 21 с частотой на 100 Ггц выше частоты передатчика. Поэтому сигналы на выходах смесителей 20 и 21 - 23 и 24 содержат разностную частоту 100 КГц. Сигналы 23 и 24 сохраняют соотношение фаз и амплитуд сигналов, поступающих из приемников 10 и 11, однако задача фазового детектирования значительно облегчаетспри низкой частоте смешанных сигналов. Для поддержания разности частот между выходами генераторов 18 и 22 в 100 КГц сигналы с выхода генераторов подают в смеситель 25. Выход смесителя соединен с частотным стабилизатором 26, который регулирует генератор 22 с помощью обычной цепи фазовой автоподстройки и генерирует соответствующий сигнал управлейия 27.Сигналы 23 и 24 подают в цепь фазового детектора 28 и компаратора 29 амплитуд. На выходе фазового детектора 28 вырабатывается сигнал, уровень которого пропорционален разности фаз Р между сигналами, поступившими на приемники 10 и 11 и, следовательно, пропорционален р в соответствии с соотношением=Р / Ь, где Ь - расстояние между двумя приемниками. Для определенной частоты работы о 3 разность фаз Р пропорциональна также времени прохождения через горную породу на расстоянии Ь в соответствии с соотношениемРр 1 = , где С р 1 есть время прохождения волны расстояния Ь. На выходе генератора 29 амплитуд сигнал пропорционален константе затуханияо АА е- 1А е с(14) Поэтому логарифм отношения амплитуд волн пропорционаленЫ., Отсюда ясно,что блок 29 (фиг. 3) приводит к томуже самому математическому результаНа фиг. 3 приведен блок 29 для получения выходного сигнала, пропорционального ы Сигналы 23 и. 24 соответственно поступают в логарифмические усилители 30 и 31, выходы которых соединены с дифференциальным усилителем 32. На выходе дифференциального усилителя 32 имеем сигнал, уровень которого пропорционален о Представим амплитуду энергии волны, достигнувшей антенны 10, в виде А е , где А " постоянная амплитуда; 2 - расстояние, разделяющее блоки 9 и 10. Отсюда следует, что амплитуда волны, достигнувшей антенны 11, должна быть выражена как А е (2+Ь), где Ь " расстояние, разделяющее приемники 10 и 11. Отношение амплитуд волн на двух приемниках составляет, следовательно1 12 ту, давая разность логарифмов амплитуд волн.Выходы сигналов (фиг, 1), соответствующих ф и Ы., передают на поверхность через пару проводников, которые являются жилами армированного кабеля 4. Эти сигналы можно усилить до передачи на поверхность. На поверхности земли сигналы подают в вычислительное каротажное устройство - компьютерный модуль 33, который рассчитывает заполненную водой пористость Р горных пород в соответствии с соотношением (1), В другом варианте вычисляется проводимость воды в горных породах б в соответствии с соотношением (1), а кажущаяся проводимость воды вычисляется в соответствии с соотношением (12), Рассчитанные (фиг. 1) пористость (сигнал 34) и/или проводимость воды (сигнал 35) и /или кажущаяся проводимость воды (сигнал 36)-записываются на самописце 37, который записывает эти величины в виде функции от глубины скважины за счет механического соединения с вращающейся лебедкой 38.Лебедка 38 соединена с кабелем 4 и вращается синхронно с его движением, так что ее вращение является функцией глубины скважины. Таким образом, сР и/или 8, и/или б,йзаписываются как функции глубины скважины на самописце 37. На фиг, 4, 5 и 6 представлены блок-схемы различных возможных вариантов компьютерного модуля 33, в который поступают сигналы, характеризующие измеряемые величины ф и о соответственно. На фиг. 4 поступающие в компьютерный модуль сигналы соединяются в умножителе 39, который генерирует на выходе сигнал, пропор. - циональный 6 р в соответствии с уравнением (10). Сигнал, представляющий б , можно записать на самописце 37, Емр фчто указано линией 40 на фиг. 4 и 1. Этот сигнал в свою очередь подают на один ввод схемы сравнения 41, на другой ввод которой поступает сигнал, соответствующий 6 т,е. проводимость воды формации. В описанном типе ЕМР каротажного устройства детектируемая микроволновая энергия обычно распространяется через зону проникновения горных пород, так что подходящее значение для 6 является проводимостью фильтрата бурового32131 12 1 О 25 30 35 40 45 55 шлама, Соответ"твенно уровень сигнала, представляющего величинубобычно можно выбрать в соответствии с проводимостью фильтрата шламао На выходе схемы 41 сравнения имеем сигнал, характеризующий величинуРйф т,е. заполненную водой пористость исследуемых формаций, что следует из соотношения (1). Заполненная водой 3пористостьР, определена как часть воды на единицу объема всей или большей части формации и является поэтому мерой количества воды в формации. В этом смысле член, соответствующийзаполненной водой формации, можно заменить членом, выражающим количество,объем или часть воды в формации. Если9 менее, чем 9, т.е, Я с 1 в соответствии с соотношением (13), то можно судить о присутствии углеводородов. На фиг. 5 показан другой тип компьютерного модуля, используемый для определенйя приводимости воды Б чтобы иметь сравнительные измерения. Снова используют схему 42 множителя и схему 44 сравнения. На одинввод схемы сравнения снова подают сигнал, представляющий 6 р . В этом случае на другой ввод схемы 44 сравнения подают сигнал, соответствующий заполненной водой пористости горных пород Р что очевидно из соотношения (1). Сигнал, представляющийся , можно получить при измерении затухания и фазы с помощью устройства ЕМР в соответствии с методикой, представленной блоком 43 (фиг. 5), причем этот блок и вводы к нему показаны пунктирной линией. Тип компьютерного модуля, используемый для определения какущейся проводимости б , соЯержит схему 45 умножителя и схему 46 сравнения (фиг. 6). Один вход сравнения 46 соответствует сигналу бр На дру гой ввод схемы 46 сравнения подают сигнал, соответствующий полной пористости горных пород Ч согласно соотношению (12), Сигнал, представляющий полную пористость горных пород, можно определить, напримериз данных нейтронного и/или акустического, или из плотностного каротака.На фиг. 7 изображено возможное воплощение компьютерного модуля 33, которое определяется из соотноше(э) 13 1232 кия (1). Решение уравнения (13) относительно Рд дает 5 подставляя Р в уравнение (1), получаем оЕмеь - (ь 11 иНа фиг. 7 использованы схемы 47 .и 48 множителя и 49 схема сравнения.О На другой ввод сравнения 48 подают сигнал с выхода фазного умножителя, у которого, в свою очередь на вхрд поступают сигналы, характеризующие15 Р и Ь . Таким образом, видно, что на выходе схемы 48 сравнения сигнал соответствует 3 , и его подают на самописец 37 по линии 50. 131 14Описывались схемы для получения аналоговых сигналов, представляющих нужные величины, однако цифровой компьютер общего назначения можно легко запрограммировать для осуществления изложенной методики. Возможно использование принципов известной компенсационной скважинной методики и/или применение дополнительных каналов. Измеренные величины можно уточнить, учитывая эффекты, связанные с наличием корки из глины, изменения в распространении или температурные колебания. Хотя были использованы величины проводимости, можно использовать и величины, обратные им, так как обратной величиной проводимости является удельное сопротивление,,г гставитель Е. Городничевхред В.Кадар,ктор Н. Швыдкая Корректор,М. Демч о писное изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектн Заказ 2664/60 Тираж 728 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рауш