Разработка технологии индукционного каротажа в нестационарном режиме при бурении субгоризонтальных участков стволов нефтяных и газовых скважин

Одним из наиболее эффективных методов формирования оптимальной системы разработки является разбуривание нефтяных и газовых месторождений горизонтальными и многоствольными наклонно-направленными скважинами. Это приводит к увеличению площади фильтрации и в значительной степени по- вышает эффективность разработки низкопроницаемых коллекторов.

Исследования скважин в процессе бурения LWD (LoggingWhileDrilling) в значительной степени позволяют оптимизировать время на анализ геологической информации в связи с существенным уменьшением зоны проникновения фильтрата бурового раствора в структуру нефтяного или газового коллектора, что

позволяет сократить время его освоения и, это особенно актуально при разработке пластов малой мощности, вести процесс геонавигации траектории ствола скважины в соответствии с морфологией пласта.

В компании «ПетроТул» в 2015-2016 гг. разработана специализированная технология модуля индукционного резистивиметра МИР, позволяющая проводить детальные исследования удельного сопротивления пород в процессе бурения в режиме on-line, основанная на изучении характеристик комплекса электромагнитных полей в нестационарном режиме.

Применение технологии импульсного изучения электромагнитного поля вместо изучения гармонического сигнала (Антонов, 1980; Бурсиан, 1972; Ваньян, 1965; Кауфман, Соколов, 1972 и др.) продиктовано результатами детальных физикотеоретических исследований авторов статьи и большими потенциальными возможностями нестационарного электромагнитного поля в прикладном применении, указанными еще в ранней работе М.И. Плюснина (1968).

Для измерений переменного магнитного поля применяют многовитковые катушки, ориентированные по оси скважины, в которых индуктивно наводимая электродвижущая сила (ЭДС) связана с магнитным полем законом индукции Фарадея.

Определение ЭДС в контуре через циркуляцию напряженности электрического поля 8 ( w ) = J E^l по формуле связи через вектор-потенциал E_v = rot. A в цилиндрической системе координат ( R , φ , z ) дает выражение, учитывающее размер измерительного контура радиуса а:

*

£( w )= EEd = - ja^ —ysin^ (1 + kR) ekR, l o R 2 r aa sin0 = — =  ,        ,

R aA L

где El – напряженность электрического поля, Мz – магнитный момент, A* – век- тор-потенциал магнитного типа; w – циклическая (круговая) частота тока (2πf), 1/с; цо - магнитная постоянная = 4п10-7 Гн/м; k – волновое число среды; L – размер установки (расстояние между генераторным и приемным контурами по оси Z).

Определение ЭДС через изменение потока ( dФ ) индукции магнитного во времени ( dt ) приводит к аналогичному выражению, если измерительный контур имеет малый радиус, величина которого значительно меньше разноса: а <  L , sin 0 x a / L,

^{£ (} w ) = - ^dф = - ^{j a} ^^^S И H z = ^dt                     (2)

= - jv^ —z3 (1 + kL) e-^kL ,

2nL где SИ – эффективная площадь соленоида приемной катушки; Hz – вертикальная составляющая напряженности магнитного поля. Откуда следует, что квадратурные компоненты Re£ = a ■ a- JmHz и J£ = b■ a- ReHz, a, b - сonst.

На основании зависимости (2) произведены расчеты реальной компоненты R_e£ поля в зависимости от значений удельного сопротивления среды (рис. 1). Представленные графики наглядно демонстрируют частотные зависимости ЭДС в проводящей среде, где поле является практически реальной компонентой.

В непроводящей среде ЭДС является мнимой величиной

M*S

^{£ (} w ) = ^- j a^ 'А = ^- jJK , 2 nL

SS где K = и Г И - коэффициент взаим- o 2nL ной индукции измерительной и генераторной катушек; SГ и SИ – площади генераторного и измерительного контуров, например, для контуров a = r = 5 см при L = 1 м коэффициент K x 10-8 Гн.

Чтобы избежать частотной зависимости измеряемой ЭДС, в измерительной схеме применяют преобразователь «ток-напряжение» с индуктивностью (измери- тельной катушкой) в цепи обратной связи. Это позволяет регистрировать величину ЭДС, прямо пропорциональную напряженности магнитного поля с учетом сдвига фазы ЭДС относительно магнитного поля на угол п/2.

Рис. 1. Частотные зависимости Re£ в контуре малого радиуса. Шифр кривых – сопротивление среды (Ом·м)

Взаимоиндукцию измерительной и генераторной катушек устраняют при фази- ровании измерительного канала перед скважинными измерениями магнитного поля, добиваясь величины J£ = 0 в непроводящей среде (в воздухе).

При импульсном режиме изменения тока выражение для измеряемой нестационарной величины ЭДС в контуре малого радиуса а получим с помощью обратного преобразования Лапласа-Карсона (Ditkin, Prudnikov, 1965).

Формула для нестационарной ЭДС примет вид

*

£ ( t ) = - р .—z — sin Q • u⁵e^-u / ² 2 πR ⁴

• -    PJ^ ■ ^{£ (} u )

где ρ – удельное электрическое сопротивление, I – сила тока, питающего генераторный контур, u – безразмерный параметр становления, S Г и S И – эффективная площадь генераторного и измерительного контуров соответственно, £ ( u ) = u⁵e ^{- u 2 /2} .

На полярной оси диполя при размерах измерительного контура а < L и R ® L, sin 0 ~ a / L в проводящей среде (уста- новка для каротажа скважин)

£ ( t ) = -р • J • d к • £ ( u ) ,                (4)

SS где dK = —,Г И - коэффициент уста-П 2nL новки или постоянная прибора (Doll, 1949; Anderson, Berber, Leveridge. 2008).

Временная характеристика ЭДС определяется только поведением безразмерной функции - электрического числа £(u). Ее анализ [ £’ = 0 | пока- k u J зывает, что максимум электрического числа £(u) = 4,58869 соответствует па раметру u =  5 = 2,235 (или параметра становления поля p = — = 2,5 ). При этом £   (u )• u = 10,2606 = сonst. На max    max рис. 2 представлена временная зависимость ЭДС £(t) от диполя с моментом M * = 1 А.м2 на разносе L = 1 м в витке радиусом a = 0,01 м.

Рис. 2. Временная зависимость нестационарной ЭДС £(t) = pJdK£(u) от р среды в измерительном контуре малого размера (шифр кривых, Ом·м)

Величину удельного сопротивления среды ρ по данным индукционного каротажа можно определять двумя способами:

• -    по времени t , соответствующему экстремуму измеряемой ЭДС,

р = ^ L ²/10/ 1 = 125,66 • L ²/ 1 ;          (5)

- по ЭДС

величине экстремума измеряемой

P =

£    (t)

-----exr      = K • £    ()),    (6) J • dK • 4,58869       ext^7’ где K =----------- - коэффициент

J ■ d ■ 4,58869 к зонда,  dK = —.Г И    — коэффициент

П 2 nd'

установки.

Важнейшим направлением при исследованиях стандартным индукционным каротажом является изучение влияния значений проводимости среды на величину измерения ЭДС, оценка разрешающей способности технологии по значениям проводимости и определение максимального значения сопротивления среды, при котором возможны измерения.

Основными моделями для оценки эффективности зондовой системы резисти-виметра МИР являлись:

• 1.    Стенд с концентрически расположенными проводниками радиусом до 0,9 м и с возможностью изменения сопротивления каждого контура в диапазоне 1 - 400 Ом·м;

• 2.    Стенд с концентрически расположенными проводниками радиусом до 2,5 м и с изменением сопротивления каждого контура в диапазоне от 1 до 400 Ом·м;

• 3.    Объемная «большая» модель емкостью 5 м³ с изменением сопротивления электролита в диапазоне от 7 до 200 Ом·м и измерением на оси модели;

• 4.    Объемная «малая» модель емкостью 0,75 м³ с изменением сопротивления электролита в диапазоне 7 - 200 Ом·м и измерением на оси модели;

• 5.    Модельная (тестировочная) скважина в четвертичных отложениях;

• 6.    Рабочие (производственные) наклонно-направленные скважины.

Типовые зависимости значения ЭДС на приемном зонде, полученные при наличии одного замкнутого контура с изменением сопротивления в диапазоне 0-400 Ом.м при условии, что контур находится в безграничной непроводящей среде (отсутствуют дополнительные осложняющие факторы), представлен на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость ЭДС от значения со- противления проводящего контура (шифр кривых) на расстоянии 0,925 м в проводящей среде (14,97 Ом·м). Длина зонда L = 1,8 м

Исследования с резистивиметром МИР могут проводиться в диапазоне рабочих температур от 0 до 120°С при изменении рабочего давления от 0 до 60 мПа.

В табл. 1 приведены сведения о точности измерений удельного электрического сопротивления при различных радиусах исследования в диапазоне от 0 до 300 Ом.м. В табл. 2 представлены данные о глубинности исследований (расстоянию от оси скважины) и вертикальном разрешении при удельном электрическом сопротивлении от 1 до 10 Ом·м и в диапазоне от 10 до 50 Ом·м.

С модулем индукционного резистиви-метра МИР проведены испытания на системах двухмерных и трехмерных (объемных) моделей. Были исследованы возможности модуля для решения задач геонавигации, приближения и удаления относительно границ со средами с разной электрической проводимостью.

Результаты исследований представлены на рис. 4. Как видим, форма основного сигнала сохраняется при перемещении прибора от центра сред к границе. При соосном положении осей прибора и емкостей новый экстремум практически не проявляется (вариант 1). При смещении оси прибора в сторону границы сред на величину 1/2 радиуса малой емкости новый экстремум становится сопоставим по амплитуде с основным (вариант 2), а при дальнейшем приближении существенно превышает основной максимум (вариант 3).

Таблица 1. Сведения о точности измерений удельного электрического сопротивления при различных радиусах исследований

Радиус исследования	Диапазон	Точность, %
0,75–1,0 м	0–200 Ом · м	5
1,5–2,0 м	0–200 Ом · м	5

Таблица 2. Глубина исследования и вертикальное разрешение

Параметр измерения	Глубина исследования, см		Вертикаль-ное разрешение, см
	малый радиус	большой радиус
Удельное сопротивление среды 1–10 Ом · м
Амплитуда	50–75	150–200	1
Удельное сопротивление среды 10–50Ом · м
Амплитуда	60–100	160–220	1

Отсюда можно сделать вывод, что при приближении к вертикальной границе сред (варианты 2 и 3) на времени 0,2-0,4 микросекунды появляется новый экстремум, амплитуда которого растет с приближением к субвертикальной радиальной границе сред с различными значениями сопротивления. Указанное обстоятельство открывает перспективное направление для проведения геонавигации - управление траекторией бурения в маломощных коллекторах.

Бурение горизонтального участка в скв. 3125 гс (Бузовьязовское месторождение, Башкортостан) было проведено с глубины 2 316 м до глубины 2 412 м (проектный забой) за 2 суток с регистрацией необходимых технологических параметров и данных измерений удельного электрического сопротивления в радиусах 0,75-1,0 м и в диапазоне глубин 2 268-2 412 м c измерением параметров в радиусах 1,5-2,0 м.

Бурение аналогичного участка в скв. 210 гс1 (Шкаповское месторождение, Башкортостан) проведено с глубины 2 152,2 м до 2 343 м по стволу также с регистрацией всех технологических параметров, в том числе и данных электрического сопротивления со стробированием по глубине 0,2 м.

Компоновка низа бурильной колонны включала следующее оборудование: долото, винтовой забойный двигатель, модули гамма-каротажа и инклинометра, разделитель, модуль резистивиметра МИР, комплекс телесистемы с электромагнитным каналом связи «TARGET» (ООО «ПетроТул-НБ»). При проводке скв. 210 гс1 в компоновку бурильной колонны был дополнительно включен модуль резистивиметра APS(Канада) для контроля при сопоставлении измеренных данных сопротивления.

Проведение исследований скважинным резистивиметром МИР непосредственно в процессе бурения позволило получить значения сопротивления в условиях незначительного проникновения фильтрата бурового раствора. По данным бурения и резистивиметра МИР горизонтальные участки стволов скважины вскрыли относительно однородные коллекторы, представленные тонкозернистыми светло-серыми и коричневосерыми известняками.

При сопоставлении данных МИР с результатами каротажа ГИС (ОАО «Баш-нефтегеофизика») по скв. 3125 гс и данными резистивиметра APS по скв. 210 гс1 установлено, что показания резистиви-метров APS и МИР практически совпадают (рис. 5). Расхождение данных находится в пределах допустимой погрешности измерений (5 %).

Рис. 4. Вид в плане и результаты эксперимента по изучению степени удаления от границ сред с различными значениями удельного электрического сопротивления

Рис. 5. Сопоставлении данных МИР («ПетроТул-НБ») и резистивиметра APS (Канада) по скв. 210 гс1 (Шкапово, Башкортостан)

• 1.    Модуль резистивиметра МИР технологически совместим с телесистемой «TARGET», подключен к стандартной шине передачи данных RS-485. Конструкция модуля МИР допускает свободный допуск к блокам памяти, позволяет скачивать информацию по значениям сопротивления с необходимой детальностью стробирования по глубине.

• 2.    Резистивиметр МИР может работать во всех типах бурового раствора, включая соленасыщенные и растворы на нефти (Ратушняк, Байдиков, Теплухин, 2016). Значения удельного сопротивления пород для управления траекторией бурения предоставляются в режиме реального времени.

• 3.    Резистивиметр МИР практически может быть адаптирован к работе в составе телесистем с гидравлическим каналом связи.

• 4.    Результаты резистивиметрии МИР и дальнейшей интерпретации доступны специалистам еще во время бурения в режиме реального времени, что позволяет оперативно реагировать на изменение геологической обстановки, уточнять в комплексе с гамма-каротажом структурные элементы пласта коллектора и оперативно проводить целевое ориентированное бурение (геонавигация) в процессе проводки ствола скважины.