CN1168999C - 套管井所穿过地层的电阻率的测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定一配置金属套管的井孔穿之而过的地层的电阻率的方法，在此方法中，使一泄漏电流漏入套管外面的所述地层，而所述泄漏电流在一定位置处一套管段上加以测定，此泄漏电流乃是地层电阻率的表征。按照本发明的一项特征，电阻率是通过应用一个取决于所述位置与地面之间距离z的因子根据泄漏电流予以确定的。

Description

套管井所穿过地层的电阻率 的测定方法和装置

                         技术领域

本发明涉及测定一配置金属套管的井穿之而过的地层的电阻率。

                         背景技术

电阻率测并对于石油勘探的重要性是为人熟知的。据知，一地层的电阻率主要取决于它所包含的液体。一包含导电的盐水的地层所具有的电阻率比一充满烃类的地层的要低得多，因而电阻率测量结果对于定位烃类矿层具有不可代替的价值。电阻率测井多年来已经广为实施，特别是借助于具有一些电极的装置，但现有的各种技术具有的适用领域局限于未加套管的油井，或者一如石油工业术语中它们被称之为“裸眼”。如果油井中存在金属套管时，其这种套管具有的电阻率与各种地层的一般数值相比是微小的(与某一地层在1ohm·m至1000ohm·m范围内的数值相比，钢材大约是2×10^-7ohm·m)，但它就代表了对于发送电流进入围绕套管的地层的一种不可忽视的屏障。结果，特别是，不可能在处于生产中的油井中获得电阻率测量结果，由于这种油井是配置套管的。

因此，使得可能测定几段套管井中的电阻率就会是非常有利的。这些测定，在矿层位置处的一生产井中从事，会使得可能定位各水-烃界面并因而监测这些界面的位置如何随时间变动，以便监测烃类储层的性状和以便优化从中的采收。也可能获得在套管安放就位之前不曾取得任何测量结果的一口油井(或一个井段)中的电阻率测量结果，特别是为了补充关于储层的知识以及任由选择地检测起初未曾定位的各个生产油层。

关于这一主题在文献资料中已经作出各种建议。专利文件US 2459196中提出的基本测量原理在于使一电流在一些条件下沿着套管流动，以致电流漏出或漏失于地层。这一漏失是依赖于地层电阻率的函数：地层导电性愈强，电流漏失愈大。通过测量电流漏失，可以确定地层的电阻率。电流漏失可以通过测定安放在油井中不同深度处的各电极之间的电压降而予以估算。专利文件US 2729784说明了一种测定方法，采用沿着套管间隔开来的两对测量电极a，b和b，c，电极 a和 c原则上等距离开电极 b。各电流电极安放在各测量电极的两侧上，以便在相反两方向上把电流注入到套管里面。一反馈回路伺服控制着注入的电流以致把各外部测量电极置于同一电位上，以便消除由在各测量电极限定的(a，b)和(b，c)两段中变化的套管电阻的效应。在中心电极 b位置处泄漏电流的数值是通过测定每对电极a，b和b，c间的电压降并通过取得两电压降之间的、一般认为正比于泄漏电流的差值而获得的。

法国专利文件2207278提出使用如同专利文件US 2729784之中的三个均匀间隔开来的测量电极用于测定泄漏电流，而且说明了一种包含两个步骤的方法：一第一步骤，用于测定由各外部测量电极所限定的套管段的电阻，在此步骤中使电流沿着套管流动以致无泄漏进入地层；以及一第二步骤，其间电流可以漏向地层。为此目的，设置一电流注入系统，包括一个发射电极和两个回流电极，近处的一个测量电极在第一步骤期间发挥作用，而另一测量电极位于地面处并在第二步骤期间发挥作用。

专利文件US 4796186说明了一种包括两个步骤的方法，与以上提及的法国专利文件2207278之中所述方法属于同一类型，并采用同样的电极结构。它提出了一种电路，用于消除在两段套管之间变化的电阻的效应。此电路包括一些连接于每对测量电极的放大器以便在其各输出端处发送各自的电压降。放大器之一是一可变增益放大器，其增益在第一步骤期间予以调节以便消除各放大器输出之间的差别。专利文件US 4820989说明了一种等同补偿方法。

利用欧姆定律，为确定地层电阻率，除了了解使用所指出的某种方法测出的泄漏电流之外，还必须了解在测定位置处相对于套管无限远处的电位差值。在以上提及的各文件中，此差值是借助于一位于地面处并充分地远离以上提及的地面回流电流的参照电极予以测定的。

采用一参照电极会遭遇到一些操作上的缺陷。相应的测定必须脱离以上所述的各种测定而单独采取，并因而它代表一附加步骤而增大了各项操作总的延续时间，它还代表一种误差源，参照电极的电位可能受到多种现象的影响。已知作出一些建议来弃除这样一种参照电极。专利文件US5510712建议在沿纵向间隔开来的两处向套管供给电流。类似地，专利文件US 5543715建议一附加电流电极。这些建议都会遭遇到使测量装置复杂化和特别是使其长度增大的缺点。

                         发明内容

在一项方案中，本发明提供一种测定一配置金属套管的井孔穿之而过的地层的电阻率的方法，在此方法中，电阻率是根据一泄漏电流确定的，使此泄漏电流漏入套管外面的所述地层，而所述泄漏电流在距离地面距离处的一定位置处的一套管段上加以测定，所述方法的特征在于以下事实，即考虑到泄漏电流中的一些间断的因子加于所述泄漏电流，所述因子包括：

校正项A(z)，用于校正由于套管靴邻近而造成的泄漏电流之中的间断，所述校正项是arc sinh{2z/(1c-z)}，其中1c是套管的长度；

项Gb，该项表征所述套管段的几何形状和特性，并且为Gb＝(πDc·h/e)·Rab，其中Dc是套管外径、 e是在所述位置处套管的厚度、 h是所述套管段的长度，而Rab是所述套管段的电阻；

其中，所述校正项由所述项Gb乘。

在一优先实施例中，所述因子考虑到了套管的长度。

                         附图说明

本发明在阅读以下参照附图作出的说明之后将得到很好的了解，附图中：

图1概述测定套管井中电阻率的原理；

图2以简图表明为实施所述原理而设计的井下装置；以及

图3A、3B和3C表明图2之中所示装置的不同操作状态；以及

图4通过实例表明应用下述方法测定套管电位而获得的地层电阻率结果。

                       具体实施方式

测定套管井中电阻率的原理在于造成沿着套管流动而带有远处回流的电流，以便使电流能够漏向油井所穿过的地层，来估算泄漏电流：在沿油井向下的任一给定位置处，所述处围绕油井地层的导电率愈高，泄漏电流愈大。这一点可以由流过套管的电流呈按指数方式下降关系、具有某一下降速率、在任一给定位置处是地层电阻率Rt对套管电阻率Rc的比值的函数而以数学方式表达出来。

图1的简图表明一段油井10，具有轴线X-X′并配置金属套管11。有待作出测定的所需位置(或深度)加以参照符号 b。考查伸展在位置 b两侧上的一段套管(a，c)。如果电流流过套管而带有远处回流(亦即在地面位置处)回流，则损失于地层的电流可以表达为由一置放在套管位置 b与无限远处之间的分路以电路简图方式表达出来。此分路的电阻代表电极 b位置处地层的电阻率Rt。利用欧姆定律，因而可能写出：

Rt＝k(Vb，∞/Ifor)                [1]

其中 k是一几何常数，可以通过标定各测量结果予以确定，Vb，∞是参照无限远处套管在位置 b处的电位，而Ifor是在位置 b处的泄漏电流。

通过近似处理一离散变量，有可能把在位置 b处的电流损失描述为在位置 b处的输入电流与输出电流之间的差别值。泄漏电流Ifor因而表达为分别流动在套管段(a，b)与(b，c)之中的电流Iab与Ibc(二者设为常量)之间的差值：

Ifor＝Iab-Ibc                     [2]

或者

Ifor＝Vab/Rab-Vbc/Rbc             [2′]

其中Vab和Rbc是分别沿着套管段(a，b)和沿着段(b，c)的电位降，而Rab和Rbc分别是套管段 ab和段 bc分别的电阻值。最初假设施加于套管的电流是DC。

考虑到套管电阻率与地层通常电阻率数值之间的比值处在10⁷至10¹⁰的范围之内，在对应于为一项地层电阻测量所可接受的分辨度的长度上，比如在30cm至1m的范围内，电流损失是很小的。可以归因于电流损失的电位降Vab与Vbc之间的差值因此一般是一很小的量。结果，关于差值项的不定性，即使很小，也具有很大影响。由于多种原因(局部腐蚀、套管材料的不均匀性，或者厚度变化)，套管段(a，b)和(b，c)的单位长度电阻值可以不同于对应于套管名义特性的数值，而归根结底，可以彼此不同。某种不定性也影响套管段(a，b)和(b，c)的各自长度，因为所述长度都依赖于各电极接触套管所在的各接触点的各自位置，这些位置是仅仅以相对不足的精度得以了解的。

图2简略地表明用于实施上述原理的装置。

装置包括一下井仪12，适于移动在一配置套管11的油井井孔10之中，而且从一电缆13的端部悬下，此电缆把装置连接于地面设备14，后者包括数据采集和处理装置和一电源16。下井仪12配有三个测量电极 a、 b和 c，它们可以置放得接触于套管，从而限定套管段(a，b)和(b，c)具有适当地处于40cm至80cm范围之内的长度。在所示实施例中，电极 a、 b和 c装在铰接于下井仪12的各臂杆17上。借助于不需在此详细说明的一些已知类似的机构，这些臂杆可以从井下仪上摆转出来以致使各电极接触于套管，而后一当各种测量已经完成即使之返回缩进位置。各电极设计得以致它们一旦接触套管，它们的位置即尽可能保持不动，而且致使与套管的电接触为最佳。

这种类型的井下仪可以在Schlumberger公司在市场上用于“CPET”业务的仪器的基础上加以制作，一如专利文件US 5563514所指出的那样。这种仪器，设计得可以评估套管的阴极保护及其腐蚀状况，配有12只测量电极，分布在纵向上间隔开来的4个位置上，各位置之间的距离是大约60cm，而每一位置上的三只电极围绕仪器的轴线对称设置，亦即各相邻电极之间的角度间距为120°。

为了测量地层电阻率，3只电极a、b和c就足够了。但有可能采用较多位置，比如在上面提及的仪器中，采用4个位置，可以形成3个相邻位置的两组，以便获取更多的信息和以便同时取得对应于两个不同深度的测量结果。在这种情况下，每组3只相邻的电极联接下述的各处理电路。至于每一位置的电极数，单独一只电极就足够了。

井下仪还配有各电流电极，设置在电极a和c的两侧上，即一顶部电极In1和一底部电极In2，离开电极a和c的各自距离可以比起电极 a与 c之间的距离来具有同一量级或稍大一些，比如几米。各绝缘套筒18，诸如Schlunberger公司普遍使用的AH169型套筒，安放在下井仪中央部分的两侧上这一中央部分装有测量电极a、b和c，以便把所述中央部分与电流电极In1和In2隔绝开来。电流电极In1和In2可以以用于套管井的通常扶正器(centralizers)的方式子以制成。通常作为接触于套管的器件而设置在这种扶正器上的各滚轮此时由用作各电流电极的器件所代替，并设置一些导体用于连接于各构成电极的器件。

此装置还配有一远处回流电极In3，最好是安放在地面位置处，在井口装置处(如果油井足够深)或在离开井口装置某一距离处，并配有各电极的馈电装置，以便形成以下参照图3A至3C所述的各种电路。此馈电装置包括以上提及的地面电流电源16，以及，视情况而定，一位于下井仪之内的补充电源，以及适当的一些开关电路。

图3A至3C之中给出的简图表明对应于可以借助于上述装置予以形成的各种电流通行电路的各个测量步骤。一如以下说明的那样，两(或3)个这样的步骤就足以获得所需的结果。

这些简图表明一处理电路，包含放大器Dab和Dbc，它们的输入端分别连接于电极 a和 b，以及电极 b和 c，而且它们在其输出端处发送由各电极所限定的各套管段上的电压降Vab和Vbc；以及一放大器Dabc，连接于放大器Dab和Dbc并在其输出端处发送电压降Vab与Vbc之间的差值Vabc。这一电路最好是位于井孔下井仪12之内。它由最好是属于地面设备的数据采集和处理装置15的计算装置予以补充，这一计算装置接收来自处理电路的各个电压和其他有关数据并给出各电阻率数值Rt。数据通常经由电缆13以数字形式传输，一模拟至数字转换器(未画出)设置在下井仪12之内并连接于处理电路。

图3A之中所示的步骤可标定由测量电极a、b和c和它们限定的套管段11所形成的测量系统。

在此步骤中，一股电流借助于由作为注入电极的In1和作为近返回流电极的In2所形成的电路，通过把一些开关电路安放在适当的位置上，而被供向套管。这样，此电流基本上不会穿入围绕油井的地层。此电流最好是低频AC，比如，具有在1Hz至5Hz范围之内的频率，但以下的论证假定此电流是DC。

在供给的电流加上参照符号It的情况下，各放大器的出口端电压如下：

Vab_C＝Rab·It                               [3]

Vbc_C＝Rbc·It                               [3′]

Vabc_C＝(Rab-Rbc)·It                             [3″]

图3B之中所示的步骤由一顶部电极In1和远处电极In3构成的一电流供给电路，供给的电流具有与第一步骤中同样的类型，亦即同样频率的AC。在这些条件下，一如以上参照图1所述，产生电流泄漏，此泄漏是在电极b位置处地层的电阻率的函数。在如上所述向下流经套管段(a，b)和(b，c)的电流被加上参照符号Id，以及泄漏电流被加上参照符号Ifor的情况下，各放大器的各输出电压如下：

Vab_T＝Rab·Id                                    [4]

Vbc_T＝Rbc(Id-Ifor)                               [4′]

Vabc_T＝(Rab-Rbc)·Id+Rbc·Ifor                   [4″]

这些表达式结合在一起，就能导出泄漏电流Ifor：

Ifor＝It·[Vabc_T-(Vabc_C·Vab_T/Vab_C)]/(Vab_C-Vabc_C)[5]

图3C之中所示步骤不同于图3B之中所示步骤之处在于，底部电极In2用以代替顶部电极In1来供给电流，回流由地面电流In3提供。一如图3B之中的步骤那样，电流因而漏向地层，但电流向上流经套管段(a，b)和(b，c)。这一电流被加上参照符号Ih，而获得的电压被加上参照符号Vab_B、Vbc_B和Vabc_B。

应当指出，由于叠加原理，示于图3A之中并由电极In1和In2组成的电流电路在电量大小(电流和电压)方面，如果由电极In1和In2分别供给的电流是一样的，等于示于图3B的电路与示于图3C的电路之间的差值。因此，用符号表示是：

电路3A＝电路3B-电路3C。

以上表达式[5]之中并对应于图3A之中所示步骤的电流和电压数值因而按照本发明可予以代换为分别在示于图3B和3C之中的两步骤中获得的相应各数值之间的各差值：因而，Vab_C＝Vab_T-Vab_B，等等。这就使得可能用示于图3C之中的步骤来代换示于图3A之中的步骤。这种解决办法的好处是，电流供给电路得以简化。在这方面应当指出，示于图3A之中的步骤要求或是一井孔下井仪之中的电流电源，或是一地面上并连接于电缆13中另外两股的电流电源。

为了确定地层电阻率Rt，一当泄漏Ifor已经以此方法计算出来，就留下相对于在无限远处的一参照点Vb，∞确定套管电位的任务，一如上述。一如在上面提及的文献之中所述，这一点的实现要借助于一参照电极，它可以安放在地面上，远离地面回流电极In3，或者最好是位于井中，比如在绝缘的电缆部分或把井下设备连接于电缆的“测井吊绳”上。因而有可能测量在测量电极 b位置处的套管与参照电极之间的电位差值Vbs。利用以上提及的方程[1]，构成比值K.Vbs/Ifor-其中K是以上提及的常数，以便导出地层电阻率Rt。由于电缆中的耦联现象，电压Vbs的这一测量不能与上面提及的另外各测量同时进行。

本发明的一种方法表现出的好处是避免使用一参照电极和由测定电压Vbs为代表的补充操作，并在于通过计算来确定套管的电位。利用欧姆定律，可以作为总的供给电流乘以套管电阻所得的乘积而获得所述电位。

在本发明中，应用以下关系式是合适的：

Rt＝A(z)·Gb·ItT/Ifor       [6]

其中A(z)是标正套管靴邻近的效应的一项，而它依赖于测量电极 b的深度z；Gb是表征电极 b位置处套管几何形状和性质的一项；以及ItT是在图3B中所述步骤期间经由顶部电极所供给的总的电流。

有待取得的各测量结果涉及各烃生成区域，它们一般位于套管靴以上的一有限距离处。套管靴邻近可加强漏进地层的电流，因为它对从电极In1向下流动的电流构成了一个显著的间断。与以上提及的指数式下降的长度特征相比，只是其中一小段距离可供利用于这一电流从套管漏出。

A(z)一项旨在校正这一效应。

具体地说，已经发现，利用A(z)一项以下的表达式可获得令人满意的校正。

A(z)＝arc sinh[2z/1c-z]    [6′]

其中1c是套管的整个长度，此长度对于拟议中的井孔来说是已知的。深度z更加正是从测量位置 b到地面的距离。它是以在油井测井中熟知的方式予以测定的。

自然，可以考虑其他一些数学表达式，倘若它们给出的结果比得上表达式[6′]的结果。

Gb一项适当地由以下关系式确定：

Gb＝(πDc·h/e)·Rab       [6″]

其中Dc是在测量位置 b处套管的外径，h是由电极 a和 b限定的套管段的长度，Rab如上所述是套管在(a，b)一段上的电阻，以及 e是在位置 b处套管的厚度。

对于外径Dc来说，已知一名义值，而此值即令人满意。对于厚度 e来说，通过近似方法有可能利用从可供使用的各名义值(外径和单位长度重量)并从构成套管的钢材密度导出一名义值。不过，可以观察到，厚度 e可以不同于此名义值，此外它还可以由于腐蚀现象而随时间改变。因而最好是，由于套管的电阻也取决于其截面面积s(R＝e·L/s)并因而取决于厚度e而在位置b处确定其数值作为在所述位置所取测量结果的函数。为此目的，采用以上参照图3A所述的测量步骤。一如关系式[3]所显示的那样，(a，b)一段上套管的电阻Rab可根据电压VabC和供给的电流It予以确定。在深度z处钢材的电阻率也予以确定，作为在所述深度处温度的函数，而且是按照油井测井领域中通常所作那样予以测定的。具体到位置b的厚度值e(z)从中导出。

一如上述，可能最好是用图3B和3C各测量结果的差值来代换图3A的测量结果。这一点适用于确定Rab。Vab_C和It的大小此后通过取得步骤3B和3C中相应各大小之间的差值来获得，此时记住，供给套管的电流在两个步骤中是一样的。

相应的计算是在以上提及的位于地面设备之内的计算装置之中进行的。为此目的，计算装置针对深度数据 z接收来自井孔下井仪12或来自地面装置的所有有关数据。此外，包含在计算中的各参数的数值都预存在计算装置之内。

图4给出一实例，表明通过把上述计算地层电阻率Rt的方法用于在一试验井中获得的数据而获得的结果。所探测的一段从小于500m的深度(沿着一水平轴线表示)伸展到大于1100m的深度。实线曲线对应于早先已知的各电阻率数值，虚线曲线对应于把以上方法用于借助于本发明说明书中所述的装置所取得的数据。应当指出，虚线曲线几乎完全重合于实线曲线，这就表明了以上方法的有效性。

为简化起见，在以上说明中假定供给的电流是DC。事实上采用AC，最好是低频，适当地处在1Hz至5Hz的范围之内。由于套管金属所造成的反作用效应(集肤效应)，套管段(a，b)和(b，c)的特性在于其复数阻抗值Zab、Zbc，其中电阻Rab和Rbc是实部，而流经套管段(a，b)和(b，c)以及它们各自两端之间的电压都是复数大小，其中每一个都包含相对于供给电流的一个具有90°相位差的分量。

泄漏电流然后通过把以上关系式[5]用于复数电压Vab_C、Vabc_C、Vab_T和Vabc_T。因而获得复数泄漏电流Jfor，为此，实部Re(Jfor)必须确定出来以便计算地层电阻率Rt。

按照本发明，可以看出，泄漏电流Jfor具有与在套管整段上于步骤3B(或者，分别地，3C)期间在电极 b位置处流经套管的电流Id(或Ih)的一个不变的相位关系，同时，电流Id(或Ih)相对于在步骤3B、3C中供给的电流是有相移的，相移的数值在套管段上变化、取决于各数值参数并因此难以预测；以及因此，与电流Id同相的Jfor分量用以确定Jfor的实部。

复数电流Id是根据步骤3A和3B的测量结果(可能最好是，借助于步骤3B测量结果与步骤3C测量结果之间的差值获得步骤3A的测量结果，一如上述)。在以上所用参照符号的情况下，关系式[3]和[4]成为：

Vab_C＝Zab·It

Vab_T＝Zab·id因此：

Id＝(Vab_T/Vab_C)·It

如果d是电流Id相对于注入电流It的相位，而j是泄漏电流Jfor相对于电流It的相位，则Jfor的实部由于上述而由以下关系式确定：

Re(Jfor)＝|Jfor|cos(J-d)

相应的处理装置最好是布置在井孔下井仪12与上面提及的位于地面设备的装置15之中的计算装置之间。适当的是，井孔下井仪配有一些电路，给出所测大小的实和虚部；以及由位于地面设备中的计算装置从事上述各种计算。

Claims (3)

1.一种测定一配置金属套管(11)的井孔(10)穿之而过的地层的电阻率的方法，在此方法中，电阻率(Rt)是根据一泄漏电流(Ifor)确定的，使此泄漏电流漏入套管外面的所述地层，而所述泄漏电流在距离地面距离z处的一定位置(b)处的一套管段上加以测定，所述方法的特征在于以下事实，即考虑到泄漏电流中的一些间断的因子加于所述泄漏电流，所述因子包括：

校正项A(z)，用于校正由于套管靴邻近而造成的泄漏电流之中的间断，所述校正项是arc sinh{2z/(1c-z)}，其中1c是套管(11)的长度；

项Gb，该项表征所述套管段的几何形状和特性，并且为Gb＝(πDc·h/e)·Rab，其中Dc是套管(11)外径、e是在所述位置(b)处套管的厚度、h是所述套管段的长度，而Rab是所述套管段的电阻；

其中，所述校正项由所述项Gb乘。

2.按照权利要求1所述的一种方法，其中所述套管段是由在套管纵向上间隔开来的各位置上贴靠套管(11)施用的三个电极a、b、c而限定的，而泄漏电流(Ifor)是根据分别在电极(a和电极b)之间以及电极b和电极c之间测得的电压Vab与Vbc之间的差值Vabc在所述中间电极b的位置处予以确定的。

3.按照权利要求1或2所述的一种方法，其中供向套管的电流是AC，而根据与在所述位置(b)处流经套管的电流形成不变相位关系的泄漏电流(Ifor)的分量来确定电阻率(Rt)。

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