Диаграммы высокочастотных электромагнитных каротажных зондирований и способы их интерпретации при сильном контрасте электрических сопротивлений в среде

Объектом исследования работы являются диаграммы высокочастотных индукционных каротажных изопараметрических зондирований (ВИКИЗ) и способы их интерпретации при сильном контрасте удельных электрических сопротивлений (УЭС) в среде.

Актуальность. В настоящее время метод ВИКИЗ все больше применяется для исследований в контрастных средах (в скважинах, заполненных буровыми растворами с высокой электропроводностью, и в разрезах с контрастными по УЭС горными породами). Использование традиционных методик качественной и количественной интерпретации в этих случаях может приводить к недостоверным результатам. Сравнительно небольшие объекты (скважина или пласт малой мощности), контрастные по УЭС с вмещающей средой, оказывают существенное влияние на измеряемые сигналы. Кроме того, значительное влияние на диаграммы в контрастных средах оказывают поверхностные заряды на геоэлектрических границах и взаимодействие индуцированных вихревых токов. В частности, эти факторы приводят к тому, что кажущиеся УЭС, определенные по модели однородной среды, могут выходить за диапазон истинных УЭС в среде, а измеренные сигналы (разности фаз) могут принимать отрицательные значения, для которых не существует трансформации в кажущиеся УЭС по однородной среде. Влияние поверхностных зарядов, возникающих на стенке скважины при смещении зонда с её оси и на границах пластов при наклонном пересечении их скважиной, не учитывается при интерпретации данных в рамках моделей с зондом на оси скважины и со скважиной перпендикулярной к плоскости напластования. В связи с этим, актуальным является выявление особенностей диаграмм ВИКИЗ (форма кривых зондирования и кривых профилирования, уровень сигналов) и разработка новых способов их достоверной интерпретации при сильных контрастах УЭС в среде.

Цель исследований — повышение достоверности и информативности интерпретации данных ВИКИЗ, полученных при сильных контрастах УЭС в среде, путем выявления особенностей диаграмм на основе анализа результатов трёхмерного численного моделирования и разработки новых способов интерпретации, учитывающих влияние бурового раствора и смещение зонда с оси скважины.

Научные задачи исследования.

1. На основе анализа результатов трехмерного численного моделирования выявить особенности диаграмм ВИКИЗ при сильном контрасте УЭС бурового раствора и горных пород. Разработать способы качественной и количественной интерпретации, учитывающие влияние бурового раствора и смещения зонда с оси скважины.

2. На основе анализа результатов трехмерного численного моделирования выявить особенности диаграмм ВИКИЗ при сильном контрасте УЭС между пластами и при различных углах встречи скважины с плоскостью напластования.

Фактический материал и методы исследования. Теоретической основой решения поставленных задач является теория метода высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ). При проведении численного моделирования сигналов ВИКИЗ использовались: программа для расчета в трехмерных моделях с учетом корпуса прибора и программа для расчета в горизонтально-слоистых моделях при различных углах встречи скважины с плоскостью напластования. Для инверсии кривых зондирования ВИКИЗ в рамках цилиндрически-слоистых осесимметричных моделей использовались системы интерпретации МФС ВИКИЗ и EMF Pro.

Перечисленная выше программно-алгоритмическая база разработана в ИНГГ СО РАН (Эпов М.И., Ельцов И. Н., Власов А. А., Нечаев О. В., Никитенко М. Н., Соболев А. Ю. и др.). Для опробования разработанных способов интерпретации использовались промышленные данные ВИКИЗ, полученные в нефтегазовых скважинах Северного Кавказа, Западной и Восточной Сибири (в частности, данные из параметрической скважины на Чайкинской площади в рамках договора № 409−16, 2009 г.). Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с результатами интерпретации традиционными способами (качественной интерпретации по диаграммам кажущихся УЭС, рассчитанным по модели однородной средыколичественной интерпретации в рамках осесимметричных цилиндрически-слоистых моделей без подавления влияния эксцентриситета).

Защищаемые научные результаты:

1. Анализ результатов трехмерного численного моделирования сигналов ВИКИЗ показал, что при сильном контрасте УЭС бурового раствора и горных пород сигналы могут существенно отличаться от сигналов в однородной среде с УЭС горных пород. Причем сигналы зондов, расположенных на оси скважины, ниже сигналов в однородной среде, а сигналы зондов, расположенных на стенке скважины, наоборот — выше.

Для повышения достоверности и информативности интерпретации данных ВИКИЗ:

— разработан способ расчета кажущихся УЭС с учетом влияния бурового раствора и смещения зонда с оси скважины на основе использования двухслойных палеток;

— разработан способ количественной интерпретации, основанный на подавлении влияния смещения зонда с оси скважины на сигналы с применением двухслойных палеток перед инверсией кривых зондирования в рамках одномерной цилиндрически-слоистой осесимметричной модели.

2. Анализ результатов трехмерного численного моделирования сигналов ВИКИЗ показал, что при сильном контрасте УЭС между пластами и наклонном пересечении скважиной плоскости напластования значения кажущихся УЭС в экстремумах на границах пластов могут значительно выходить за диапазон УЭС среды, а разности фаз могут принимать отрицательные значения.

Новизна работы. Личный вклад. В рамках работы установлены особенности диаграмм ВИКИЗ в сильно контрастных по УЭС средах и разработаны оригинальные способы их интерпретации.

1. На основе анализа результатов трехмерного численного моделирования сигналов ВИКИЗ в условиях сильного контраста УЭС бурового раствора и горных пород установлены следующие особенности диаграмм:

Сигналы при наличии бурового раствора могут существенно отличаться от сигналов в однородной среде с УЭС горных пород. Так, сигналы зондов, расположенных на оси скважины, ниже сигналов в однородной среде, а сигналы зондов, расположенных на стенке скважины, наоборот — выше.

На интервалах непроницаемых пород влияние бурового раствора и смещения зонда с оси скважины приводит к расхождению кривых разноглубинных зондов и, как следствие, к определению «ложных» понижающих зон проникновения при интерпретации. На интервалах коллекторов УЭС зоны проникновения при интерпретации занижается, а УЭС неизмененной части пласта завышается.

Для зондов, расположенных на оси скважины, сигналы могут принимать отрицательные значения.

— Кривая зондирования для прибора, расположенного на стенке скважины, может быть немонотонной даже при отсутствии зоны проникновения в пласте.

2. Для учета влияния контрастного по УЭС бурового раствора и смещения зонда с оси скважины (эксцентриситета) разработаны два способа интерпретации данных ВИКИЗ:

— расчет кажущихся УЭС с учетом влияния бурового раствора и эксцентриситета зонда по двухслойным палеткам — применяется при качественной интерпретации;

— подавление влияния эксцентриситета на сигналы по двухслойным палеткам — применяется при количественной интерпретации в рамках одномерной осесимметричной цилиндрически-слоистой модели.

Созданы алгоритмы и программы для расчета кажущихся УЭС с учетом влияния бурового раствора и эксцентриситета зонда, а также для подавления влияния эксцентриситета на сигналы.

3. Проанализированы синтетические диаграммы ВИКИЗ, полученные в моделях пласта, контрастного по УЭС с вмещающими породами, при различных углах встречи скважины с плоскостью напластования.

— Установлено, что в случае перпендикулярного пересечения пласта скважиной, при любом контрасте УЭС пласта и вмещающих пород, отрицательных разностей фаз не возникает, а кажущиеся УЭС могут лишь незначительно выходить за диапазон истинных УЭС среды. Следовательно, отрицательные разности фаз, регистрируемые в вертикальных скважинах, вызваны либо влиянием самой скважины, либо каверн и трещин, заполненных высокопроводящим буровым раствором.

— В случае наклонного пересечения пласта наличие поверхностных зарядов приводит к тому, что в экстремумах на границах пластов кажущиеся УЭС могут значительно выходить за диапазон истинных УЭС среды, а разности фаз могут принимать отрицательные значения. Амплитуда таких экстремумов возрастает при увеличении контраста УЭС пласта и вмещающих пород. При увеличении угла наклона скважины амплитуда экстремумов увеличивается до углов 60 — 80°, а при больших углах падает. Границы пласта соответствуют минимальным показаниям разностей фаз, за исключением подошвы низкоомного пласта, которая при мощности пласта, меньшей длины зонда, соответствует максимальным показаниям.

Практическая значимость результатов. Результаты выполненной работы являются, прежде всего, вкладом в развитие методики интерпретации данных ВИКИЗ. Учет выявленных особенностей диаграмм позволяет повысить достоверность результатов качественной интерпретации в контрастных по УЭС средах (расстановка границ пластов, оценки УЭС на качественном уровне, определение характера проникновения по виду диаграмм). Использование разработанных способов качественной и количественной интерпретации повышает достоверность результатов при сильном контрасте УЭС бурового раствора и горных пород. Повышение достоверности результатов интерпретации данных ВИКИЗ, в свою очередь, увеличивает надежность выделения коллекторов и определения их фильтрационно-ёмкостных характеристик. На основе разработанных способов интерпретации созданы соответствующие алгоритмы и программы для новой системы интерпретации данных электрических и электромагнитных зондирований EMF Pro, которая в настоящее время внедряется в производственных организациях.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на различных российских и международных конференциях: XLII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2004), Восьмой уральской научной школе по геофизике (Пермь, 2007), VI Международной научно-практической конференции «Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, 2007), Научных конференциях молодых ученых, аспирантов, студентов «Трофимуковские чтения 2006, 2007, 2008» (Новосибирск, 2006, 2007,.

2008), 19th International Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth (Beijing, 2008), Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006,2009» (Новосибирск, 2006, 2009), Международной конференции «Актуальные проблемы электромагнитных зондирующих систем» (Киев,.

2009).

По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них: 1 статья в рецензируемом журнале НТВ «Каротажник» из перечня ВАК, 4 — материалы конференций.

Благодарности. Автор выражает благодарность руководителям своих дипломных работ, выполненных за время обучения в НГУ, к.т.н. К. В. Сухоруковой и к.т.н. В. Н. Ульянову за полученный от них богатый опыт в области обработки и интерпретации данных ГИС. При выполнении работы автор неизменно пользовался советами и рекомендациями, помощью и поддержкой своих коллег — сотрудников Лаборатории электромагнитных полей ИНГТ СО РАН и благодарит д.т.н. Ю. Н. Антонова, д.т.н. И. Н. Ельцова, к.т.н. К. В. Сухорукову, к.ф.-м.н. В. Н. Глинских, к.т.н. М. Н. Никитенко, к.т.н. А. Ю. Соболева, к.г.-м.н. М. А. Павлову. Автор благодарен к.т.н. В. Н. Ерёмину, ведущему специалисту научно-производственного предприятия геофизической аппаратуры «Луч», за полезное обсуждение вопросов по аппаратуре ВИКИЗ и к.ф.-м.н. О. В. Нечаеву за проведение необходимого для работы численного моделирования сигналов ВИКИЗ. Автор глубоко благодарен д.т.н. академику РАН М. И. Эпову за научное руководство, постоянное внимание и поддержку, без которых работа не была бы выполнена.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 85 страниц машинописного текста, 41 рисунок и 1 таблицу. Библиография включает 77 наименований.

Выводы.

Проанализированы синтетические диаграммы ВИКИЗ, полученные в моделях пласта, контрастного по УЭС с вмещающими породами, при различных углах встречи скважины с плоскостью напластования.

Установлено, что в случае перпендикулярного пересечения пласта скважиной, при любом контрасте УЭС пласта и вмещающих пород, отрицательных разностей фаз не возникает, а кажущиеся УЭС могут лишь незначительно выходить за диапазон истинных УЭС среды. Следовательно, отрицательные разности фаз, регистрируемые в вертикальных скважинах, вызваны либо влиянием самой скважины, либо каверн и трещин, заполненных высокопроводящим буровым раствором.

В случае наклонного пересечения пласта наличие поверхностных зарядов приводит к тому, что в экстремумах на границах пластов кажущиеся УЭС могут значительно выходить за диапазон истинных УЭС среды, а разности фаз могут принимать отрицательные значения. Амплитуда таких экстремумов возрастает при увеличении контраста УЭС пласта и вмещающих пород. При увеличении угла наклона скважины амплитуда экстремумов увеличивается до углов 60 — 80°, а при больших углах падает. Границы пласта соответствуют минимальным показаниям разностей фаз, за исключением подошвы низкоомного пласта, которая при мощности пласта, меньшей длины зонда, соответствует максимальным показаниям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами работы являются установленные особенности диаграмм ВИКИЗ и разработанные способы их интерпретации при сильном контрасте УЭС в среде.

Диаграммы ВИКИЗ в сильно контрастных средах имеют качественные отличия от диаграмм при меньших контрастах. Поэтому учет выявленных, в рамках работы, особенностей диаграмм характерных для сильно контрастных сред позволяет проводить более достоверную качественную интерпретацию (расстановка границ пластов, оценки УЭС на качественном уровне, определение характера проникновения бурового раствора по виду диаграмм).

В работе было установлено, что при сильном контрасте УЭС бурового раствора и горных пород буровой раствор и эксцентриситет зонда оказывают существенное влияние на сигналы ВИКИЗ. Для качественной интерпретации в этих случаях разработан способ расчета кажущихся УЭС с учетом влияния бурового раствора и эксцентриситета зонда. Диаграммы, вычисленные таким образом, в отличие от диаграмм кажущихся УЭС по модели однородной среды, избавлены от влияний раствора и эксцентриситета и зависят только от распределения УЭС вне скважины. С использованием такой трансформации на качественном уровне точнее оценивается характер проникновения бурового раствора в пласт. Для повышения достоверности количественной интерпретации разработан способ подавления влияния эксцентриситета на сигналы перед инверсией кривой зондирования по стандартной методике в рамках одномерной осесимметричной цилиндрически-слоистой модели.

Эти способы основаны на использовании автоматизированного расчета по двухслойным палеткам, что позволяет избежать решения затратных по времени обратных трехмерных задач. Вместе с этим, такой подход является приближенным для количественной интерпретации в пластах с проникновением бурового раствора.

Анализ особенностей диаграмм ВИКИЗ и разработка новых способов и методик их интерпретации в условиях сильного контраста УЭС, несомненно, должны быть продолжены. Во-первых, в данной работе рассмотрены только некоторые из моделей с высоким контрастом УЭС: цилиндрически-слоистые при различном положении зонда относительно оси скважины и горизонтально-слоистые при различных углах пересечения границ скважиной. Необходим анализ особенностей диаграмм и разработка методик их интерпретации в более сложных, трехмерных, моделях при одновременном наличии радиальной и вертикальной неоднородности среды, а также при наличии каверн и трещин на стенке скважины. Во-вторых, очень важным является развитие более быстрых и точных трехмерных алгоритмов, так как именно при сильных контрастах УЭС в среде «трехмерность» (наклонные границы, смещение зонда с оси скважины) оказывает наибольшее влияние на сигналы. Их развитие позволит проводить более точную количественную интерпретацию на основе решения обратных трехмерных задач.