CN1357112A - 套管井周围地层电阻率的测定方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法和设备,用于探究围绕一配装金属套管的井眼的、一地质岩层的电阻率,一电流施加于套管,以便造成电流在一给定层位处漏入所述地层,而所述电流由一在测定层位每一侧上接触于套管的反馈电路予以分路,所述电路组配得确保在所述层位处沿着套管流动的电流与分路电流相比是很小的,确定位于测定层位每一侧上相邻各段套管上的各电压降之间的差值,并从中推演出来泄漏电流(Ifor)。

Description

套管井周围地层电阻率 的测定方法和设备

本发明涉及测定配置金属套管的油井周围地质岩层的电阻率。

电阻率测井在石油勘探中的重要性是为人熟知的。已知，某一地层的电阻率基本上取决于它所包含的液体。包含导电盐水的地层具有的电阻率要比充满烃类的地层低得多，因而电阻率测量结果对于探测烃类矿床具有不可替代的意义。电阻率测井长时间以来广为应用，特别是借助于具有多个电极的各种装置，不过，现有的一些技术具有的应用范围局限于不加套管的油井(石油工业术语中称作“裸眼”)。在油井中出现的金属套管-此时金属的电阻率与地质岩层典型的数值相比是很微小的(与地层的1至100欧姆·厘米相比，钢质套管是大约2×10^-7欧姆·厘米)-表示对于向围绕套管的地层送进电流有一种很大的屏障。结果，重要的是要在套管安放就位之前完成电阻率测定。特别是，电阻率测量结果不可能从生产油井取得，由于这些油井都配装套管。

因此，最为有利的是能在油井的各已知套管段测定电阻率。这种测定，在生产油井中并在矿床中进行，使得可能判明水-烃界面，并因而可能随时跟踪这些界面的位置，以便监测烃类矿床的动态并优化其开采。还可能在其中在套管安放就位之前不曾进行测定的一油井(或一井段)中取得电阻率测量结果，特别是提高对于矿床的认识，以及或许发现原先不曾判明的各生产层。

在文献资料中可以发现关于这一课题的各种建议。这种判定所基于的原理，在美国专利第2459196号中有所阐述，在于造成一股电流在电流漏出或向地层漏失的各种条件下沿着套管流动。这种漏失是地层电阻率的函数，地层导电性愈强，漏失愈大，因而通过测定漏失，有可能确定地层的电阻率。按照以上提及的专利，电流漏失是通过制定沿着套管流动的电流的分布图而予以估定的。美国专利第2729784号阐述了一种测定方法，采用三个测定电极，沿着套管间隔开来并构成理论上全同的各对相邻电极。各电流电极安放在各测定电极的每一侧上以便在相反方向上向套管注入电流。一反馈回路以伺服方式控制电流注入，以便把外部各测定电极置于同一电势，而达到消除在由各测定电极所形成的各段中套管电阻方面差别的影响。在中间电极处的泄漏电流值通过测定每一对电极上的电压降和通过考虑各电压降之间的差别而获得，所述差别表述为正比于泄漏电流。美国专利第2891215号阐明了一种同一类型的方法，采用一等位于中间测定电极的附加电流电极，后者还设置得以便施加一正好补偿泄漏电流的电流。

一如美国专利第2729784号之中，法国专利第2207278号准备使用三个等距间隔开来的测定电极以测定泄漏电流，并阐明了一种两阶段方法：第一阶段用于测定由各测定电极所形成的那段套管的电阻，在此阶段期间，使电流沿着套管流动，以致无电流漏进地层；以及第二阶段，其间可发生电流漏进地层的情况。为此，设置一电流注入系统，包括一个发射电极和两个回流电极，其一靠近各测定电极并在第一阶段期间发挥作用，而另一位于地面上并在第二阶段期间发挥作用。

美国专利第4796186号阐明一同一类型的两阶段方法，一如前面提及的法国专利第2207278号，并采用各电极的同一设置。此专利提供一电路，用于消除两段套管之间电阻变化的影响，此电路包括连接于各对测定电极的各放大器，以便发送各自的输出电压降。放大器之一具有变动的增益，而其增益在第一阶段期间予以调节以便抵消来自各放大器的输出之间的差别。假定各大小量级规定如上，则此技术是很难实施的。它还需要两个显然不同的测定阶段。

本发明寻求能使泄漏电流以比已知各种技术简单和更为有效的方式加以确定。

本发明提供一种探究配装金属套管的一井孔周围的地质岩层电阻率的方法，此方法的特征在于以下事实，即一电流施加于套管，以便使电流漏入在一给定层位的地层，所述电流由在测定层位每一侧上接触套管的一反馈电路予以分路，所述反馈电路组配得以致在所述层位处沿着套管流动的电流与分流路电流相比是很小的，位于测定层位每一侧上套管相邻各段上的电压降之间的差别得以确定，以及泄漏电流得以从中导出。

本发明在阅读参照附图所作的以下说明之后将会很好地了解，附图中：

图1再现采用通常技术测定套管井电阻率的原理；

图2是表明本发明方法第一实施例的简图；

图3是表明本发明方法第二实施例的简图；

图4表明适于实现本发明的井下设备。

据以自一套管井测定电阻率的原理在于，造成一电流沿着套管流动而在远处回流，以便能使电流漏入油井周围的地质岩层，以及以便估定泄漏电流。在一给定层位处，在该层位处围绕油井的地层越是导电性强，泄漏电流就越大。这一点可以由在一给定层位处以一减小率在套管中流动的电流的一个指数减小关系式，亦即一个地层电阻率Rt与套管电阻率Rc之间比值的函数，在数学方面予以表述。

图1的简图表明一段配装金属筒11、具有轴线X-X’的井10。需要获得测量结果的层位(或深度)示为参照符号B。考查一段套管AC，在层位B的每一侧上伸展。如果电流在套管中流动而在远处(比如在地面处)回流，则进入地层的电流漏失就电路而言可由安放在套管层位B与无限远之间的一分路电阻器予以表示。此电阻器的电阻代表在层位B处地层的电阻率Rt。利用欧姆定律，因而可能写出：[1]     Rt＝k(V_B，∞/Ifor)其中k是一可由各标定测量结果予以确定的几何常数，V_B，∞是相对于无限远在层位B处套管的电位，以及Ifor是在层位B处的漏失电流。

在层位B处的电流漏失可以表述为进入层位B的电流与离开它的电流之间的差值。作出以下近似，即电流是以离散方式变化的，可以假定AB段中的电流以及BC段中的电流都是不变的，这些电流取为等于在这些段中各自的平均电流I_AB和I_BC，而泄漏电流Ifor确定为电流I_AB与I_BC之间的差值：[2]        Ifor＝I_AB-I_BC由于I_AB和I_BC是AB段和BC段之内的均值，所以：[2’]      Ifor＝V_AB/R_AB-V_BC/R_BC其是V_AB和V_BC分别是沿着套管AB段和BC段的电位降，而其中R_AB和R_BC是套管AB段和BC段各自的电阻。

图2是一简图，表明本发明的一实施例。

在图2中，可以看到孔眼10和套管11，由一注入电极(未示出)向后者施加一电流I_o。而回流在远处，以致电流漏入地层，一如各平行箭头所示。

在图2中，可以看到套管11上沿轴向间隔开来的层位A、B、C和D，形成AB、BC和CD各段。各电极安放得在层位B和C处，并也在层位A和D之中至少之一处，接触于套管。位于层位A、B、C和D处的这些电极分别由a、b、c和d表示。中间电极b和c分别连接于具有高增益G的一放大器12的输入端E₁和E₂。放大器12并联于由套管11构成的电路，放大器12的输出端S₁和S₂在位于伸展在层位A与D之间的那段的各自端部的各自层位A’和D’处连接于套管11。放大器12构成一反馈回路，组配得可把输入端E₁与E₂之间的电位差降低到一个基本上是零或在任何情况下都是很小的数值。电极b与c之间的电压降，并因而是在这些电极之间流通的电流I_BC则可以被认为基本上是零，或在任何情况下都是很小的。基本上全部电流因而被转换到包含放大器12在内的分流电路。在这些条件下，在放大器12的控制下沿着BC段以外套管流动的电流基本上等于漏入地层的电流Ifor。电极a与b之间的电位差V_AB(或者电极c与d之间的电位差V_CD)则基本上正比于泄漏电流Ifor：

此电位差由一放大器13予以测定，后者的各输入端连接于电极a和b(或者电极c和d)而其输出电压是各输出电压之间的差值。

本发明的技术以简单方式消除了与涉及各段套管电阻R_AB和R_BC的不定性相关联的基本上所有的困难。由以上方程式[3]中得出，涉及套管段电阻R_AB(或者R_CD)的不定值ΔR对于涉及泄漏电流的不确定影响只是以一相对项ΔR/R的形式，此项ΔR/R在各种实际条件下一般具有10^-2的量级。不定值ΔR的影响因而得到决定性的减小。此外，本发明使之可能在单一的测定阶段中获得泄漏电流，这从操作上来说是很有利的。

以上说过，在BC段中流动的电流I_BC必须基本上是零或在任何情况下是很小的。在本发明中，适当的是以如下方式设定放大器12的增益，即在层位A’与D’之间流动的电流与转换到放大器的电流的比值决不大于大约10^-2，假定确切的比值取决于各种条件和测定范围而变化，比如在一给定的井眼中，它随从事测定所在的深度而变化，并因此它不可能事先予以规定。以上提及的大小量级首先足以获得一个以减少不定值ΔR影响的角度来看是可以接受的结果，而其次它不要求放大器12的增益大得过分。为放大器12确定适当的特征是在本技术中熟练人员的胜任能力之内的。

具有此量级的数值，电流I_BC并因而和电压V_BC未必需要是完全可忽略不计的，而且为了获得较好的精确度，最好是在应用以上方程式[2’]时采用在放大器12输出端处获得的电压V_BC以确定泄漏电流Ifor。不过，基于方程式[3]的近似确定方法，不利用电压V_BC，也还归入本发明的范围之内。

上述的电路具有一放大器12，既用作一反馈电路，也用作一测定电压V_BC的电路。

该电路的一种变通实施例在于，通过设置一第一放大器用于反馈目的和一第二放大器用于测定V_BC，以分离这些功能。包括第一放大器的反馈电路则可以在不同于点B和C和各点处，比如点A和D处，接触于套管。这一变通方案因而提供了较大的灵活性。

其次，按照方程式[3]或[2’]，测定泄漏电流需要了解测定电压降所在的那段套管的电阻。按照以上的意见，所谈到的电阻不需要了解得非常准确。这样就开阔了多种可能性。

第一可能性只是在于计算这些电阻，作为涉及所考查层位处套管的、可供使用的数据(内径、外径、电阻率)连同其他一些有关参数(所考查层位处的距离AB、BC、CD和温度)的某一函数。

另一可能性在于通过一个明显不同于上述主要工作的测定阶段来确定所考查的电阻。使一电流流动在各段套管AB、BC和CD之中，以致没有进入地层的泄漏，而做到这一点要依靠一包括在分别靠近层位A和D的层位处接触于套管的一注入电极和一回流电极的电路，并测定所考查的各段套管的电压降。

第三种解决办法可以设想为与主要工作同时测定电阻R_AB或R_CD。这一解决办法借助于以简图示于图3的电路予以实施。

原则在于，与不同于用于主要测定的频率fo的频率f的电流测定电阻R_AB与R_CD。示于图3之中的反馈回路具有两个各自增益为G₁和G₂的放大器14-1和14-2。电压v施加在放大器14-1与14-2之间。这样导致一电流j环绕回路并沿着套管通过，一如虚线所示。给定由此电流j所通行的电路的尺寸，此电流就基本上流通在套管的厚度之内，而且与地层的电阻率无关。通过测定电流i，有可能利用以下方程式：[4]  R_AB＝V/G₁·j来确定套管的电阻。

电压V_AB(或V_CD)一如参照图2所述，借助于各输入端连接于电极a和b(或c和d)的一放大器(图3中未示出)来获得。

以上提及要测定电压V_AB或电压V_CD。实用上，最好是同时测定这两个电压，由于这使之可能在单一阶段中获得对应于孔眼中两个不同层位的两个测量结果，一个用于层位B，另一个用于层位C。

实现本发明的适当设备示于图4之中。图4表明一配装套管11的油井孔眼10，以及一被赋予整体参照编号20的井下仪，此井下仪悬置在一电缆21的端部处，以致它可以以石油测井技术中常见的方式沿着孔眼移动。电缆21连接于通常包括一绞车(未示出)、一数据采集和处理装置23以及一电力源24的地面设备。井下仪20具有四个测定电极a、b、c和d，都可以使之接触于套管以确定各段套管ab、bc和cd，各自具有一适当选择的长度而处于范围40cm至80cm之内。在图示实施例中，电极a、b、c和d装在铰接于井下仪20的各自臂杆25上。在此不需说明的通常类型的机构用以使各臂杆从井下仪向外散开，以便使各电极接触于套管，而后一当测定完成即将它们撤回而进入缩进位置。各电极设计得以致一当它们接触于套管，它们的位置就尽可能地牢固地固定了，而且以致与套管的电气接触良好。

这种类型的井下仪可以由如美国专利第5563514号之中所述，基于Schlumberger公司为CPET作业在商业上所用的设备而制作出来。此设备，目的在于估定套管的阴极保护及其腐蚀状态，具有围绕在纵向上间隔开来的四个层位分布的井测定电极，各层位之间的距离为大约60cm，以及在每一层位上的三个电极围绕设备的轴线对称设置，亦即在相邻各电极之间角度间隔为120°。不过，针对本发明的需要，每一层位一个电极就足够了。

井下仪还具有各电流电极，设置在电极a和d以外，亦即，一顶部电极In1和一底部电极In2，而这些电极离开电极a和d的各自距离可以具有与电极a与d之间的距离同一量级或可以稍微大于后一距离，比如几米。各绝缘联接器26，诸如AH169型联接器，一般为Schlumberger公司所用，安放在井下仪携带测定电极a至d的中间部分的每一端部，以便使它们与电流电极In1和In2隔绝开来。电流电极In1和In2可以以用于套管井中的扶正器的通常方式予以制作。一般设置在这种扶正器上的用于造成与套管接触的各滚轮则用适于用作各电流电极的各器件来代替，而各导电件设置得连接于构成电极的各器件。

井下仪还具有一电子组件(未示出)。此电子组件适当地包括参照图2和3所述的放大器12、13，以及14-1、14-2。出自这些电路的输出信号优选地被数字化并被传向地面，用于在装置23中处理以确定地层的电阻率。

此设备还具有一远处回流电极In3，优选地安放在井口装置处(如果井深足够)或在离开井口装置某一距离处的地面上，而且它还具有用于向各电极馈电的装置。这种装置包括上面提及的地面电源16和在适当时安放在井下仪之内的一附加电源，连同一些适当的开关电路。

上述装置使之可能确定泄漏电流Ifor。为了确定地层的电阻率Rt，留下来的是确定套管相对于无限远处一参照值的电位V_B，∞，一如上述。虽然不是本发明的内容，但下面还是给出关于如何确定套管电位的一些提示。

通常的方法在于，采用一参照电极，安放在离开地面回流电极In3某一距离处的地面上。因而在测定电极b层位B处的套管与参照电极之间测定电位差Vbs。利用以上方程式[1]，可建立比值K·Vbs/Ifor，其中K是以上提及的常数，以便推演出地层的电阻率。

另一避免采用一参照电极的方法阐明在1999年4月28日的法国专利申请99/05341之中，可以参考这一文件以求更为详细的解释。

Claims (9)

1.一种方法，用于探究围绕一配装金属套管的井眼的、一地质岩层的电阻率，此方法的特征在于以下事实，即一电流施加于套管，以便造成电流在一给定层位处漏入地层，所述电流由一在测定层位每一侧上接触于套管的反馈电路予以分路，所述反馈电路组配得以致在所述层位处沿着套管流动的电流与分路电流相比是很小的，确定位于测定层位每一侧上相邻各段套管上的各电压降之间的差值，并从中推演出来泄漏电流(Ifor)。

2.按照权利要求1所述的一种方法，其中在所述层位处沿着套管流动的电流与分路电流的比值不大于大约10^-2。

3.按照权利要求1或2所述的一种方法，其中测定包含所述层位在内的至少一段套管上的电压降(V_AB、V_BC、V_CD)，确定所述一段的电阻(R_AB、R_BC、R_CD)，以及从中推演出来泄漏电流。

4.按照权利要求3所述的一种方法，其中所述一段套管的电阻从涉及所考查层位处套管的标称数据中确定出来。

5.按照权利要求3所述的一种方法，其中所述一段套管的电阻由一测定阶段予以确定，在此阶段中，一电流施加于套管，以便基本上不发生向地层的漏入。

6.按照权利要求3所述的一种方法，其中所述一段套管的电阻在与测定电压降同一阶段期间通过在一不同的频率下从事测定而予以测定。

7.一种设备，用于探究围绕一配装金属套管的井眼的、一地质岩层的电阻率，此设备的特征在于以下事实，即它包括一用于把电流施加于套管以便造成电流在一给定层位处漏入地层的装置(24，In3)，一反馈电路(12)，组配得在位于所述层位每一侧上的点(A’，D’)处接触于套管并用于把在所述层位处沿着套管流动的电流保持在与经由反馈电路而分路的电流相比只是很小的一个数值上，以及一用于测定由所述泄漏造成的电压降的装置(13)。

8.按照权利要求7所述的一种设备，反馈电路包括一具有高增益(G)的放大器(12)，其各输入端(E1，E2)接触于套管并在其上形成邻近所述测定段的一段(BC)，而其各输出端(S1，S2)分别连接于所述各接触点。

9.按照权利要求8所述的一种设备，包括一装置，用于施加一电压(v)给套管的所述邻近段(BC)，所述电压处在不同于用于造成向地层的漏入所施加电流的频率的一频率下，最终的电流(j)表征所述一段套管的电阻。

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