книги / Геофизические исследования скважин

8.Каковы особенности упругих волн в обсаженных скважинах и их использования для изучения свойств пласта и технического со­ стояния скважины?

9.Какие тепловые свойства горных пород определяются по дан­ ным термометрии скважин?

10.Какие геологические задачи решает термометрия скважин?

11.Сформулируйте специфические требования, предъявляемые

кподготовке скважин для проведения измерений различными мо­ дификациями термометрии скважин.

12.В чем состоит газометрия скважин и какую геологическую ин­ формацию она дает?

13.Каковы основные составляющие аппаратуры и оборудования

газометрии скважин?

14. Как учитывается влияние режимов бурения на результаты газометрии скважин?

16. Перечислите основные группы методов, используемые при исследованиях скважин в процессе бурения. На изучении каких па­ раметров они основаны?

Г л а в а IV.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН_________________

Техническая оснащенность геофизических партий определяется задачами, решаемыми геофизической службой, и условиями прове­ дения исследований.

Одно из основных требований, предъявляемых к проводимым ра­ ботам, — это высокая точность измерения изучаемого параметра. По техническим условиям погрешность измерения основных геофизи­ ческих параметров не должна превышать 5%. В то же время иссле­ дования проводятся не в стационарных условиях, а в скважинных, расположенных на значительном удалении от мест базирования гео­ физической службы. Для современных скважин характерны боль­ шие глубины, высокие температуры, ограниченный диаметр. Поэто­ му вся геофизическая аппаратура должна быть высокоточной, ус­ тойчивой к вибрациям и тряске, надежной в работе при значительных перепадах температуры.

Современные геофизические партии оснащены специальными станциями, которые включают: комплект наземной измерительной аппаратуры; скважинные приборы; оборудование, обеспечивающее спуск приборов в скважину и подъем их на поверхность; кабель, на котором производят спуско-подъемные операции и который одно­ временно служит электрическим каналом связи между наземной аппаратурой и скважинным прибором.

Партия (отряд), проводящая геофизические исследования в сква­ жинах, должна иметь полный комплект оборудования, необходимого

141

для выполнения работ. Все оборудование и аппаратуру станции раз­ мещают в кузовах специальных автомашин. Для обслуживания сква­ жин небольшой глубины (до 1500 м) аппаратуру монтируют в кузове одной автомашины, для изучения разрезов глубоких скважин — в кузовах двух автомашин. При этом в одном кузове, который уста­ новлен на шасси автомашины повышенной проходимости и называ­ емой самоходным подъемником, монтируется лебедка с кабелем и размещается комплект скважинных приборов. Вся наземная изме­ рительная аппаратура монтируется в кузове, установленном на шас­ си автомашины-вездехода, и называется автоматической лаборато­ рией.

Для обслуживания скважин, которые бурятся на морском шель­ фе или в труднодоступных районах, лебедку с кабелем устанавли­ вают непосредственно на скважине. Измерительную аппаратуру (ла­ бораторию) изготовляют в виде отдельных блоков и к месту произ­ водства доставляют в контейнерах.

Компьютеризированные каротажные лаборатории подразделяют на [15]:

— аналоговые с цифровым или компьютеризированным регист­ ратором, осуществляющие цифровую регистрацию данных от всех типов скважинных приборов через аналоговые (импульсные) выхо­ ды наземных панелей этих приборов;

—программно-управляемые, работающие с цифровыми про­ граммно-управляемыми скважинными приборами и комбинирован­ ными сборками этих приборов;

—лаборатории с программно-управляемыми средствами демо­ дуляции и декодирования информационных сигналов скважинных приборов, коммутации жил кабеля, источников питания и управле­ ния опросом приборов, работающие с аналоговыми приборами без их наземных панелей.

На рис. 74 приведена структурная схема промыслово-геофизи­ ческой лаборатории, которая в совокупности с набором скважинных приборов, оснащенных индивидуальными системами телеметрии (амплитудной модуляции для акустики (AM), частотной модуляции для электрометрии (ЧМ), число-импульсной модуляции для радио­ метрии (ЧИМ)) и соответствующими пультами, составляет скважин­ ную геофизическую информационно-измерительную систему.

Переход к машинной обработке результатов ГИС привел к необ­ ходимости цифровой регистрации данных. В настоящее время ГИС представляет собой единую технологию цифровой регистрации и компьютезированной первичной обработки данных. Цифровые ла­ боратории включают [16]:

—ЭВМ с определенным типом операционной системы (ОС),

—систему оцифровки аналоговых и импульсных сигналов,

—накопители на магнитной ленте (НМЛ) и гибких дисках (3", 5"),

—программно-методическое обеспечение для взаимодействия с оператором в интерактивном режиме и предварительной обработки данных (включая редактирование данных);

142

В ид м о дул яц и и A M ЧМ ЧИМ

1 1 1

Н а б о р скваж и н н ы х приборов

Рис. 74 Структурная схема аналоговой информа­ ционно-измерительной системы [16]

— систему контроля за условиями проведения измерений (кор­ рекция глубины по магнитным меткам, регистрация натяжения ка­ беля, измерение давления в скважине, температуры, плотности и проводимости ПЖ).

§ 1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Современные лаборатории автоматических станций обеспечива­ ют регистрацию всех геофизических параметров, измеряемых в сква­ жине. Например, компьютеризированный регистратор КАРАТ-2 (ла­ боратория с одноименным названием) позволяет пользователю са­ мостоятельно включать в состав системы любой скважинный прибор и имеет несколько носителей магнитной записи.

Схему работы лабораторий рассмотрим на примере измерения кажущегося сопротивления рк и потенциалов собственной поляри­ зации диеп

Принципиальные схемы измерения рки ДИСП на трехжилъном ка­ беле. В принципиальной электрической схеме измерения можно выде­ лить три основные электрические цепи (рис. 75): цепь питания токовых электродов А, В; канал для регистрации кажущегося сопротивления; канал для регистрации потенциалов собственной поляризации.

Цепь питания включает источник тока Г, переменное сопро­ тивление R1, назначение которого — регулировать силу тока, пи­ тающего электроды А, В, миллиамперметр т А для контроля за по­ стоянством питающего тока, эталонное сопротивление R.„, по кото­

143

рк =К АС/кс

I

В процессе проведения замера коэффициент зонда К и ток I, пи­ тающий электроды, остаются постоянными, поэтому для регистрации рк достаточно измерить AUKC.

По жиле кабеля от электрода М на поверхность поступают полез­ ные сигналы двух видов. Один из них АС/кс,— знакопеременный и характеризует кажущ ееся сопротивление горных пород, второй Д[/сп — постоянный и определяет поле потенциалов собственной по­ ляризации.

Переменная разность потенциалов At7KC с помощью конденсатора С отфильтровывается от постоянной разности потенциалов АС7сп и поступает в первый измерительный канал (канал КС). В геофизи­ ческой измерительной аппаратуре применяются регистрирующие приборы для постоянного тока. Поэтому переменная разность потен­ циалов AUKC, прежде чем поступить на регистрирующий прибор РП, выпрямляется выпрямителем В.

Постоянная разность потенциалов собственной поляризации ДНСП с электродом М и N 2 подается во второй измерительный канал (ка­ нал СП). Дроссель Др, установленный на входе канала, пропускает преимущественно постоянную составляющую А17сп, так как являет­ ся большим сопротивлением для переменного сигнала AUKC. В канал включен градуированный компенсатор поляризации ГКП, с помощью которого на регистрирующий прибор можно подать заданные значе-

144

ния разности потенциалов. Это позволяет компенсировать электро­ дные потенциалы и сдвигать регистрируемую кривую.

Пределы измерения в каналах КС и СП изменяют с помощью со­ противлений R2 и R3.

Для проведения измерений на одножильном кабеле широко при­ меняют аппаратуру, в которой для формирования полезного сигна­ ла и передачи информации на поверхность используют принцип ча­ стотно-амплитудной модуляции с частотным разделением сигнала. Это позволяет уплотнить канал связи и за один спуск записать сра­ зу три кривые кажущегося сопротивления зондами различной дли­ ны. Блок-схема аппаратуры типа КСП приведена на рис. 76.

Питание электронной схемы скважинного прибора и электрода А осуществляется с поверхности генератором Г переменного тока час­ тотой 300 Гц. Ток питания в скважинный прибор подается по цент­ ральной жиле кабеля ЦЖК; обратной линией служит оплетка кабе­ ля ОК. Электрод А является общим токовым электродом для комп­ лекта зондов БЭЗ, резистивиметра; он ж е служит измерительным электродом при регистрации потенциалов собственной поляризации.

Измеряемые сигналы с электродов М ^ ; M2iV2;M3JV3 поступают на

преобразование сигналов позволяет передавать их на поверхность с минимальными погрешностями, так как изменения в канале связи могут повлиять на амплитуду передаваемого сигнала, не влияя на частоту.

При отсутствии входных сигналов генераторы модулируют (не­ сущие частоты) в первом канале 7,8 кГц, во втором — 14 кГц, в тре­ тьем — 25,7 кГц.

Сигналы с выходов модуляторов суммируются, усиливаются уси­ лителем мощности СУ и через конденсатор С (см. рис. 76) по кабелю передаются на поверхность. Конденсатор защищает усилитель от питающего напряжения частоты 300 Гц. Заградительная индуктив­ ность предотвращает шунтирование высокочастотных сигналов, по­ ступающих от модуляторов, цепью питающего электрода А.

Сигнал AUcn, снимаемый с электродов А иЫ , через сопротивление R, первичную обмотку трансформатора Тр4 по кабелю вместе с вы­ сокочастотными сигналами КС поступает на вход наземной аппара­ туры. В наземной панели сигнал AUcn через Др2 подается непосред­ ственно на вход регистратора. Дроссель Др1 предохраняет измери­ тельную схему от питающего тока.

Высокочастотные сигналы через фильтр верхних частот ФВЧ с частотой среза около 5 кГц поступают на полосовые фильтры, кото­ рые пропускают только полосу частоты своего канала. В результате высокочастотные сигналы расфильтровываются по соответствую­ щим измерительным каналам. После полосных фильтров ПФ сигнал в каждом канале поступает на частотный детектор ЧД. В результате работы частотных детекторов информация о величине кажущегося сопротивления, представляющая собой частотно-модулированный сигнал, преобразуется в переменный сигнал частоты 300 Гц, ампли­ туда которого пропорциональна величине измеряемого сигнала КС.

Выделенное переменное напряжение выпрямляется фазочув­ ствительным выпрямителем ФВ и подается на регистратор, где за ­ писывается на диаграмму. Режим работы фазочувствительного вып­ рямителя регулируется усилителями У.

Современные станции типа АКЦ7-02 предназначены для прове­ дения полного комплекса геофизических исследований как на одно­ жильном, так и на многожильном кабеле. В измерительной схеме лаборатории имеются три идентичных канала для регистрации пе­ ременных разностей потенциалов и один канал для измерения по­ стоянных разностей потенциалов. Это обеспечивает одновременную регистрацию трех кривых кажущегося сопротивления и кривую Ucn.

При работе на многожильном кабеле токовая цепь питается сину­ соидальным током частотой 6— 8 Гц, получаемым электронным ге­ нератором и усиленным электромашинным усилителем. На элект­ роды А и В подается стабилизированный ток силой 0,5 — 1,5 А. При работе на одножильном кабеле для питания электродов АВ в лабо­ ратории установлен ламповый генератор, который вырабатывает переменный ток частотой 300 Гц. Ток регулируется в пределах от нуля до 1,5 А при нагрузке 200 Ом.

146

Лаборатория автоматической станции с одновременной реги­ страцией информации в аналоговой и цифровой формах типа АКЦ10 для записи конкретных видов исследований имеет отдельные из­ мерительные пульты, подключенные к общему пульту коммутации

иобеспечивающие комплексирование измерений.

Влаборатории имеются также пульт управления, предназна­ ченный для управления работой аналогового и цифрового (ленточного перфоратора) регистраторов; блок согласования глубин, обеспечи­ вающий совмещение по глубинам точки записи различных парамет­ ров, поступающих с комплексного скважинного прибора на цифро­ вой регистратор; воспроизводящее устройство для перевода инфор­ мации, зарегистрированной в цифровой форме, в аналоговую. В качестве цифрового регистратора используют ленточный перфо­ ратор ЦПЛ или магнитный регистратор ЦМР. Широко внедряется принципиально новый вид лаборатории— измерительная система, оборудованная бортовой ЭВМ.

Сдатчиков, которые размещены в комплексном скважинном при­ боре (рис. 77), информация поступает на блок управления скважин­ ным прибором БУСП. Назначение БУСП: определение глубины точ­ ки записи и совмещение диаграмм по глубинам регистрируемых па­ раметров; проверка, настройка и градуировка измерительных каналов.

Предварительно обработанная информация в аналоговой форме с БУСП и цифровой форме с цифрового преобразователя ЦП поступа-

Рис. 77. Функциональная схема компьютизированной лаборатории с про­ граммным управлением

147

ет на бортовую ЭВМ, которая обеспечивает: управление работой стан­ ции; интерпретацию получаемых результатов; выдачу информации на аналоговые регистраторы ЛР; запись ее в цифровом коде на маг­ нитную ленту ЦМР и передачу на экран дисплея.

В понятие управления работой станцией включаются: авто­ матизированная настройка измерительных и регистрационных ка­ налов; калибровка приборов; градуировка каналов; выбор и установка масштабов регистрации; диагностика неполадок.

Автоматизированная обработка получаемой информации обеспе­ чивает контроль качества материала. Кроме того, непосредственно на скважине в процессе проведения исследований получают данные о литологии вскрываемого разреза, о наличии в нем коллекторов, проводят предварительную оценку пористости и характера насыще­ ния коллекторов.

Управление бортовой ЭВМ осуществляется из блока накопления, где на магнитной ленте БНМЛ сконцентрирована библиотека про­ грамм управления процессом измерения и интерпретации резуль­ татов, а также с терминала ручного управления.

Для сокращения времени проведения исследований на скважине большое значение имеют комплексные скважинные приборы. Наи­ большее распространение в настоящее время получила аппаратура серии «Э», предназначенная для проведения исследований стандар­ тным методом, методами БЭЗ, СЭЗ в глубоких скважинах. Разраба­ тываются комбинированные приборы.

В настоящее время решается задача выполнения за один спускоподъем многопараметровых измерений. Это возможно, если для все­ го парка скважинных приборов применять единую систему телемет­ рии, а кабель пропускать через весь скважинный прибор для под­ ключения следующего. Объединение разнородных, с точки зрения измеряемых физических полей, информационных потоков в единую сборку ставит задачу организации приема от них информации. Эту задачу выполняет микроЭВМ регистратора. Управляющая ЭВМ че­ рез модем подает запрос к выбранному скважинному прибору, полу­ ченные данные записываются на жесткий диск (винчестер). Объе­ динение нескольких скважинных приборов единым магистральным интерфейсом является программно-управляемым геофизическим комплексом. Н априм ер, программ но-управляем ы й комплекс КАРАТ-П (НПГП ГЕРС г.Тверь) за три спуско-подъема проводит полный типовой комплекс ГИС. КАРАТ-П включает набор программ­ но-управляемых скважинных приборов, объединенных в три сборки (радиометрии, акустического и индукционного методов, электромет­ рии) и наземную измерительно-управляющую систему. Программ­ ное обеспечение выполнено в среде MS-DOS.

На основе программно-управляемых комплексов созданы про­ граммно-управляемые лаборатории (КАРАТ-2, СКС-5Ц-НПФ «Гео­ физика» г. Уфа, Геоком-BWG). Лаборатория включает также про­ граммно-управляемые источники питания скважинных приборов, блок коммутации и разделения жил кабеля. В ней отсутствует под­

148

система сбора геофизической информации, ее функции выполняют скважинные приборы. Компьютеризированные и программно-управ­ ляемые комплексы развиваются на основе вычислительных средств разработанных фирмой IBM.

§ 2. ОБОРУДОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРТИЙ. ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ

Проведение геофизических исследований скважин — сложный технологический процесс. Спуск прибора в скважину, его пере­ мещение в процессе измерений и подъем на поверхность осу­ ществляются с помощью специализированного спуско-подъемного оборудования и аппаратуры. Спуско-подъемное оборудование вклю­ чает следующие основные элементы: кабель; подъемник, на котором установлена лебедка; блок-баланс (направляющий ролик); сельсинная передача.

Промыслово-геофизический кабель — очень важный элемент гео­ физического оборудования и должен соответствовать ряду жестких требований.

Прежде всего кабель предназначен для спусков геофизических приборов в скважину и подъема их на поверхность. При этом по его длине определяют глубину нахождения прибора. Кабель дол­ жен обладать достаточной прочностью, чтобы вы держ ать соб­ ственную массу, массу прибора и дополнительные нагрузки, воз­ никающие в процессе подъема приборов за счет трения о стенки скважины, прилипания к глинистой корочке и др. Кроме того, ка­ бель должен быть эластичным и сильно не удлиняться под дей­ ствием нагрузок.

Кабель является каналом связи между скважинным прибором и наземной аппаратурой. По нему подается электрический ток для питания скважинного прибора, осуществляется управление элект­ ронной схемой, передается на поверхность измеряемый сигнал, ре­ гистрируемый измерительной аппаратурой. Токоведущие жилы дол­ жны быть надежно изолированы от окружающей среды, которая характеризуется высокими давлениями и температурами и часто бывает агрессивной.

Жилы кабеля (кроме электрического сопротивления) обладают индуктивностью и емкостью относительно земли и друг друга. Для кабеля в оплетке и шланге, намотанного на барабан лебедки, индук­ тивность жилы по однопроводной линии изменяется в зависимости от длины и типа кабеля и лебедки. При размотке кабеля его индук­ тивность быстро уменьшается. У бронированных кабелей индуктив­ ность жил значительно меньше, чем у оплеточных.

Согласно требованиям отраслевого стандарта к геофизическим кабелям («Кабели грузонесущие геофизические бронированные Об­ щие технические условия». М., Минтопэнерго РФ, 2000 и «Техничес­ кое описание и инструкция по эксплуатации грузонесущих геофи­ зических бронированных кабелей». М., Минтопэнерго РФ и МПР РФ 1998), их характеристики должны удовлетворять условиям [15]'

149

— разрывное усилие— 10— 130кН, до 180кН по отдельному зака­

зу;

—термостойкость — 90 — 200 °С, до 250 °С по отельному заказу;

—электрическое сопротивление токопроводящей жилы — не бо­ лее 6— 40 Ом/км при 20 °С,

—емкость — 0,06 — 0,09 мкФ/км между жилой и броней, 0,10— 0,14 мкФ/км между двумя жилами;

—максимальное рабочее напряжение — 600 В;

—минимальный пробег до списания — 1800— 2200 км.

Впромысловой геофизике высокие требования предъявляются

кэлектрической изоляции жил кабеля с целью предотвращения ис­ кажения результатов измерений вследствие утечек тока. Сопротив­ ление изоляции нового кабеля составляет не менее 15000 МОм пере-

150