EA005645B1

EA005645B1 - Способ определения анизотропного электрического удельного сопротивления и угла падения пласта в геологической формации

Info

Publication number: EA005645B1
Application number: EA200400761A
Authority: EA
Inventors: Терухико Хагивара
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-04-28
Also published as: US6760666B2; EP1451612A1; WO2003048813A1; CA2468865A1; AU2002364523A1; NO20042793L; EA200400761A1; US20030105591A1; AU2002364523B2

Abstract

Новый способ определения свойств анизотропного электрического удельного сопротивления подземной геологической формации, через которую проходит скважина, выполняют с использованием многокомпонентного индукционного измерительного инструмента для каротажного зондирования. Этот способ использует реактивную компоненту сигнала, индуцируемого вихревыми токами в формации, для определения свойств электрического удельного сопротивления на основе известного или заранее неизвестного значения угла наклона скважины.

Description

Настоящее изобретение относится к области электромагнитного каротажного зондирования геологических формаций, через которые проходит скважина. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу определения свойств анизотропного электрического удельного сопротивления геологической формации и угла падения пласта для скважины в геологической формации.

Уровень техники

В данной области техники хорошо известны основные технологии инструментального электромагнитного или индукционного каротажного зондирования. Зонд, на котором установлена по меньшей мере одна передающая катушка и по меньшей мере одна приемная катушка, устанавливают в скважине на конце проводной линии или в виде части оборудования для каротажного зондирования при бурении скважины (ЗБС (Ь^Э)). Оси катушек, по существу, расположены в одну линию с осями зонда и скважины. Через передающую катушку передают колебательный сигнал, что создает магнитное поле внутри формации. В геологической формации под действием магнитного поля возбуждаются вихревые токи, которые изменяют характеристики поля. Магнитное поле проходит по контурам заземления, по существу, перпендикулярно оси инструмента и воспринимается приемной катушкой. Магнитное поле индуцирует напряжение в приемной катушке, которое зависит от силы вихревых токов в геологической формации. Сигналы напряжения прямо пропорциональны электропроводности геологической формации, и, таким образом, обратно пропорциональны электрическому удельному сопротивлению формации. Электрическое удельное сопротивление формации является представляющим интерес параметром, который часто используют для оценки содержания жидкости в геологической формации. Углеводороды в геологической формации, т.е. нефть и газ, имеют более высокое электрическое удельное сопротивление (и более низкое значение удельной электропроводности), чем вода или соляной раствор.

Однако формация часто является неоднородной по своей природе. В осадочных пластах электрические токи в большей степени протекают в направлении, параллельном пластам или плоскостям напластования, в отличие от перпендикулярного направления. Одна из причин этого состоит в том, что кристаллы минералов, имеющие удлиненную форму, такие как каолин или слюда, ориентируются параллельно плоскости отложения осадков. В результате геологическая формация может обладать разными характеристиками электрического удельного сопротивления/электропроводности в горизонтальном и вертикальном направлениях. Обычно считают, что такое явление возникает за счет микроскопической анизотропии формации, и оно часто проявляется в таких минералах, как глинистые сланцы. Слои осадочных пород часто формируются как последовательность электропроводных и неэлектропроводных слоев. Отклик инструментов, действующих на основе индукции, в формации такого типа представляет собой функцию электропроводных слоев, где эти слои параллельны направлению вихревых токов формации. Электрическое удельное сопротивление неэлектропроводных слоев составляет небольшую часть принятого сигнала, и инструментальное средство, действующее на основе индукции, формирует в них соответствующий сигнал. Однако, как отмечено выше, при разведке месторождений углеводородов наибольший интерес обычно представляют области отсутствия электропроводности (высокого электрического удельного сопротивления). Таким образом, при использовании обычных технологий, основанных на свойстве индукции, могут быть пропущены представляющие интерес области.

Электрическое удельное сопротивление такой слоистой формации в направлении, в общем, параллельном плоскостям напластования, называют поперечным или горизонтальным электрическим удельным сопротивлением К и обратный ему параметр называют горизонтальной электропроводностью Электрическое удельное сопротивление формации в направлении, перпендикулярном плоскостям напластования, называют продольным или вертикальным электрическим удельным сопротивлением Κ_ν, и обратный ему параметр называют вертикальной электропроводностью σ_ν. Коэффициент анизотропии, по определению, может быть представлен как =4 [1]

Подземные формации часто состоят из последовательности относительно тонких слоев, имеющих разные литологические характеристики и значения удельных электрических сопротивлений. Когда тонкие отдельные слои не могут быть разграничены или их нельзя различить с помощью каротажного зонда, в такой формации формируются такие сигналы каротажного зонда, как если бы она представляла собой макроскопически анизотропную формацию, в которой игнорируются тонкие слои.

В случае, когда скважина проходит, по существу, перпендикулярно плоскостям напластования формации, индукционный инструмент определяет, прежде всего, горизонтальные компоненты электрического удельного сопротивления формации. Когда скважина пересекает плоскости напластования под углом, которую часто называют скважиной с искривленным стволом, инструмент будет вырабатывать сигнал, соответствующий одновременно компонентам вертикального и горизонтального электрического удельного сопротивления. В случаях наклонного и горизонтального бурения угол падения по отношению

- 1 005645 к плоскостям напластования может приближаться к 90°. В таких случаях в сигнале инструмента будет преобладать вертикальная компонента электрического удельного сопротивления. Следует понимать, что, поскольку наиболее продуктивные скважины бурят вертикально по отношению к слоям напластования, может оказаться трудно скоррелировать данные индукционного каротажного зондирования, получаемые в скважинах с высокой степенью искривления ствола, с известными данными каротажного зондирования, полученными в вертикальных скважинах. При этом, если не будет учтен анизотропный эффект, это может привести к ошибочным оценкам эксплуатационных возможностей формации.

Для измерения анизотропии формации было разработано множество методик и устройств. Эти методики включают установку индукционного инструмента с дополнительньми передающими и приемными катушками, в котором оси дополнительных катушек установлены перпендикулярно осям обычных передающих и приемных катушек. В качестве примера инструмента такого типа можно привести устройство, описанное в американском патенте И8 3,808,520 Виоде, в котором предложено использовать три взаимно ортогональные приемные катушки и одну передающую катушку. Другое устройство включает множество ортогонально установленных передающих и приемных катушек, как описано в американском патенте И8 5,999,883 Сор1а и др. В других технологиях используют дипольные приемные антенны с множеством осей и один многочастотный передатчик, или передатчики с множеством осей, такие как описаны в американских патентах И8 5,656,930 Надогага и 6,218,841 \Уо.

Раскрытие изобретения

Предложен новый способ определения анизотропных свойств подземной геологической формации. Настоящее изобретение направлено на способ определения анизотропных свойств геологической формации с использованием многокомпонентной индукции. В частности, в настоящем изобретении описан способ инвертирования сигналов отклика многокомпонентного индукционного инструмента для определения анизотропного электрического удельного сопротивления анизотропной и/или однородной формации и для определения ориентации инструмента по отношению к анизотропному направлению формации с использованием как резистивной (В), так и реактивной (X) частей сигналов, получаемых на основе комбинации сигналов отклика инструмента.

Более конкретно, настоящее изобретение направлено на способ определения горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления и вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления геологической формации, когда через геологическую формацию проходит скважина, содержащий (a) разработку инверсионной модели для различных геологических формаций;

(b) установку индукционного инструмента в указанной скважине, причем указанный инструмент имеет продольную ось, передающую антенную решетку, состоящую из трех взаимно ортогональных передающих антенн, причем по меньшей мере одна антенна ориентирована параллельно продольной оси указанного инструмента, и приемную антенную решетку, расположенную на некотором расстоянии от передающей антенной решетки, причем указанная антенная приемная решетка состоит из трех взаимно ортогональных приемных антенн, приемная антенная решетка имеет ту же ориентацию, что и указанная передающая антенная решетка;

(c) активацию указанной передающей антенной решетки и измерение величин электромагнитных сигналов, индуцируемых в указанной приемной антенной решетке, включая резистивные и реактивные компоненты указанных значений сигналов;

(б) определение угла азимута для указанного инструмента;

(е) вычисление значений вторичных сигналов как функции указанных измеренных значений сигналов и указанного угла азимута; и (ί) одновременное определение указанной горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления, вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления и угла падения пласта как функции выбранных резистивной и реактивной компонент указанных вторичных сигналов путем минимизации ошибки с использованием указанной инверсионной модели.

В предпочтительном варианте выполнения в скважине устанавливают и активируют индукционный каротажный зондирующий инструмент, содержащий множество взаимно ортогональных передающих катушек и приемных катушек. На передающие катушки подают питание для индуцирования вихревых токов в формации. В свою очередь, эти вихревые токи индуцируют токи в приемных катушках. Принятые таким образом сигналы обрабатывают для получения предварительного значения резистивной компоненты получаемого электрического удельного сопротивления, и реактивной компоненты получаемого электрического удельного сопротивления. Эту информацию затем сравнивают с заранее определенной моделью, которая относится к резистивной компоненте получаемого электрического удельного сопротивления и реактивной компоненте получаемого электрического удельного сопротивления, горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления, вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления и коэффициенту анизотропии. Благодаря использованию технологии инверсии, на основе ранее разработанной модели, непосредственно основанной на данных каротажного зондирования для формации, можно получить значения горизонтальной составляющей электрического удель

- 2 005645 ного сопротивления и вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления, а также коэффициент анизотропии и угол падения пласта по отношению к формации.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятным из его подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 представлено упрощенное изображение установленного внутри скважины каротажного зондирующего инструмента при использовании настоящего изобретения на практике;

на фиг. 2А представлена ориентация передатчиков и приемников инструмента; и на фиг. 2В показана взаимосвязь между системами координат скважины, формации и инструмента; на фиг. ЗА показана номограмма, изображающая средство определения В_н как функции В₁₁;

на фиг. ЗВ показана номограмма, изображающая средство определения В_н как функции В₁₁ и Х₁₁;

на фиг. ЗС показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_Η как функции В_й;

на фиг. 3Ό показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_Η как функции отношения В_й/В_и;

на фиг. 4А показана номограмма, изображающая средство определения В_н и Β_ν как функции Β, и х_й;

на фиг. 4В показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_Η как функции отношения В_й/Х_п;

на фиг. 5А показана номограмма, изображающая средство определения В_н как функции В_й;

на фиг. 5В показана номограмма, изображающая средство определения В_н как функции К,, и Х_й;

на фиг. 5 С показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функции В₁₁;

на фиг. 5Ό показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функции В_ии;

на фиг. 5Е показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функции отношения В₁₁/В₁₁;

на фиг. 5Е показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функции отношения В_ии/В_й;

на фиг. 6А показана номограмма, изображающая средство определения В_н и Β_ν как функции В₁₁ и ^Х11^; на фиг. 6В показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функция отношения Х₁₁/В₁₁;

на фиг. 6С показана номограмма, изображающая средство определения В_н и Β_ν как функции В_ии и х · ^ии· на фиг. 6Ό показана номограмма, изображающая средство определения отношения Β_ν/Β_н как функция отношения Х_ии/В_ии;

на фиг. 7 А показана номограмма, изображающая средство определения В_н и β как функции В₁₁ и Х₁₁; на фиг. 7В показана номограмма, изображающая средство определения В_н как функции отношения Βιι/Χιι.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение предназначено для использования с многокомпонентным каротажным инструментом, то есть содержащим множество взаимно ортогональных передающих и приемных катушек. Пример индукционного инструмента такого типа описан в американском патенте И8 5,999,883 Оир!а и др., который приведен здесь в качестве ссылки. На фиг. 1 показан индукционный инструмент 10, установленный внутри скважины 2, пробуренный через геологическую формацию 3. В геологической формации 3 показана зона, представляющая интерес 4. Инструмент 10 погружают в геологическую формацию 3 в зону 4, представляющую интерес, на армированном кабеле 6. Кабель 6, в сою очередь, представляет собой часть поверхностной системы (не показана), которая обычно может состоять из лебедки, системы поверхностного управления, включающей один или несколько установленных на поверхности компьютеров, оборудование интерфейса, источники питания и регистрирующее оборудование. Поверхностные системы этого типа могут включать мобильный блок, установленный на грузовике, или блок, установленный на передвижной грузовой платформе, предназначенной для работы на континентальном шельфе. Кроме того, инструмент 10 можно транспортировать с использованием других способов, таких как трубы, свернутые в бухты, обеспечивающие подачу питания и передачу данных или как часть колонны бурильных труб в комплекте инструментов для каротажного зондирования в ходе бурения скважины (ЗБС).

Инструмент 10 состоит из трех секций, включающих секцию 14 электронного оборудования, блок 8 сердечника катушки и секцию 12 приема/обработки телеметрии, которая соединена с кабелем 6. Секция 8 сердечника катушки включает передающие катушки, предназначенные для индуцирования электромагнитного поля в геологической формации, в зоне 4, представляющей интерес, при подаче на них питания, и приемные катушки, предназначенные для съема сигналов, образуемых вихревыми токами, пред- 3 005645 ставляющими характеристику зоны 4, представляющей интерес. Секции 14 электронного оборудования включают генератор сигнала и системы питания, предназначенные для подачи тока на передающие катушки. Инструмент 10 показан установленным рядом с зоной 4, представляющей интерес, которая состоит из более тонких секций 4А-4Е формации.

Следует отметить, что, хотя на фиг. 1 показан инструмент 10, погруженный в вертикальную скважину 2, используемые в настоящее время технологии бурения обычно позволяют бурить скважину, которая несколько раз отклоняется вдоль ее длины от истинного вертикального положения. В соответствии с этим скважина может пересекать зону, представляющую интерес, под углом, что может в значительной степени повлиять на результаты измерения характеристики электрического удельного сопротивления. Для учета этой проблемы разработан предпочтительный способ в соответствии с настоящим изобретением.

1. Взаимосвязь между системами координат инструмента, скважины и формации.

Многокомпонентный индукционный инструмент, такой как описан в американском патенте И8 5,999,883, состоит по меньшей мере из трех передатчиков (Μι, М_т, М_п) с ортогонально установленными петлевыми антеннами и по меньшей мере из трех взаимно ортогональных приемных катушек, отклики которых пропорциональны значениям векторов (Ηι, Н_т, Н_п) напряженности магнитного поля, где 1, т и п обозначают общую систему координат. Следует отметить, что синфазный К-сигнал пропорционален мнимой части напряженности поля Н. Эти три передатчика установлены в одном положении в продольном направлении вдоль оси инструмента 10, которая совпадает с 1-осью системы координат. Три приемника также сгруппированы в одном местоположении, на некотором расстоянии от передатчиков вдоль 1оси. Два поперечных направления проходят вдоль т- и п-осей.

При такой компоновке могут быть получены девять различных комплексных результатов смешанных измерений напряжения, пропорциональных вектору напряженности магнитного поля на приемных петлевых антеннах, при активации передатчиков:

(Н₁₁, Н_т1, Н_п1) от передатчика М);

(Н1т, Нтт, Нт) от передатчика Мт; и (Н1п, Нтп, Нпп) от передатчика Мп.

Однако в силу взаимных соотношений Н_п1=Н_1п; Н_тп=Н_пт; и Н_п1=Н_1т. В соответствии с этим, получают шесть независимых измерений, которые могут быть выражены как напряженность, определяемая инструментом

	£	я_/и	я/			Я_м	я/
Рринструмента 1 _	и*	н	Я™ ТО1	=		н
	X.	я^	Η.		Я_1в		Ял».

[2]

Исходя из предположения, что формации 4А-4Е по фиг. 1 расположены горизонтально, истинным вертикальным направлением будет ζ-ось. Можно сказать, что формация проявляет свойство анизотро пии, когда электрическое удельное сопротивление в вертикальном направлении отличается от электрического удельного сопротивления в горизонтальном направлении. Тензор электропроводности формации характеризуется двумя анизотропными значениями электропроводности

	^σα					0	0
σ =				=	0		0
	.^σ„	^σ)*	^σ„_		0	0

[3] где П_Н представляет горизонтальную составляющую электропроводности и σ_ν представляет вертикальную составляющую электропроводности формации. Система координат формации в этом случае представляет собой (ζ, х, у). Когда система координат инструмента (1, т, п) совмещается с системой координат формации (ζ, х, у), напряженность магнитного поля в формации может быть выражена как

		Я„	Я.
реформации _		Я_ж	Я^
	______1	Я„	Я„

[4]

Однако, как отмечено выше, скважина редко проходит по вертикали, что означает, что рассматриваемые системы координат редко совмещаются. При этом следует учитывать угол θ отклонения. Для самой скважины можно рассматривать систему (1, 1, и) координат, где и-ось совпадает с у-осью формации. См. фиг. 3. Система координат скважины и система координат формации связаны операцией поворота вокруг у-оси на угол θ наклона вокруг у-оси

- 4 005645

где К_у представляет оператор поворота на угол θ.

Если предположить, что продольная ось инструмента совмещена с системой координат скважины, можно сделать заключение, что система (1, т, п) координат антенны совмещена с системой (1, ΐ, и) координат скважины и

			β
ррмажины ,			β
	Я_я	β.	β

[6] ту- тт скважины

Кроме того, значения Н и н^{формации} взаимосвязаны через коэффициент поворота

'β.	β	β.'		----------1	β
β	β		X 04 II	н..	β
_β	β	β.		И»	β

_ΐΓ ^С?] где К_уфф^г представляет транспозицию матрицы К_у(ф.

Однако система (1, т, п) координат антенн инструмента редко совмещается с системой (1, ΐ, и) координат скважины. В соответствии с этим, поперечные координаты (т, п) инструмента должны быть связаны с координатами (ΐ, и) скважины через операцию поворота вокруг 1-оси на угол φ азимута:

'1 о о соз φ —

тор [8] 'Г

Отклик Н^{инструмента} инструмента, таким образом, связан с откликом Н^{скважины} скважины через опера-

'β	β,	β'		’β	β.	β'
β	β	β	О? II	β	β	β,
_β	β	β_		.β,	ΡΓ	β.

[9] где Κ1(φ)^ΐΓ определяется как транспозиция матрицы Κ1(φ).

2. Отклик инструмента.

После определения систем координат для инструмента, скважины и формации, можно выразить отклик инструмента в системе (ζ, х, у) координат формации, где направления (1, т, п) инструмента совмещены с направлениями формации. На передатчике инструмента поля, индуцируемые в формации, могут быть описаны с помощью уравнения Морана-Гианзеро (ГН. Могап апс! 8.С. Ога^его, Е££еС;з о£ Еогтайоп Лтзо1гору оп Ке818ЙУ11у Ьоддтд Меазигете^з, Оеорйузюз Уо1. 44 р. 1266 (1979)) в следующем виде:

- 5 005645

где и = гкнг [16] и к_н представляет частоту индуцируемого магнитного момента, и г можно выразить в следующем виде:

г = 7χ²+/ + ζ² . _и р = ^х²+у²

Приемные катушки, как предполагается, расположены по отношению к системе координат формации (ζ, х, у)=(Ьсо80, БзшО, 0), где θ снова угол отклонения. Токи, индуцируемые в приемных катушках, могут быть выражены как

[П]

[18] _______________ где ос представляет величину, обратную λ, и β представляет коэффициент анизотропии β = ^/1 + (^² -1)§ш²^, г=Е и ρ=Εδίηθ. Следует отметить, что в этом случае и представляет собой функцию только горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления. Значения как Ι₀, так и Ιι зависят от и, β и θ. Если все передатчики установлены на передачу с равной мощностью передачи (М₁=М_и=М₁=М₀), то отклик инструмента в скважине можно записать следующим образом:

- 6 005645

В результате получают три неизвестных, которые характеризуют анизотропное удельное сопротивление формаций, К_Н, Κ_ν и угол θ отклонения. Следует отметить, что Н₁₁ зависит только от и (значит, от К_Н) и от β. Остальная часть откликов, Н_й, Н₁₁, Н_ии зависит от переменных и, β и θ.

3. Коррекция по азимуту для искривленных скважин.

В искривленных скважинах должен быть определен поворот по азимуту инструмента в скважине. При проведении каротажного зондирования на практике ориентация инструмента по азимуту не известна. Направления двух поперечно ориентированных антенн не совпадают с направлениями по 1-оси и иоси. Многокомпонентный индукционный инструмент измеряет значение напряженности Н^{инструмента}, которое отличается от Н^{скважины}.

В продольно анизотропной формации ортогональное условие можно выразить как Н_у2=Н_ух=0. Это значит, что Н_и1=Н_и1=0. В результате, не все шесть измерений Н^{инструмента} являются независимыми, и (Н_1т, Н_1п, Н_тт, Н_пп, Н_тп) должны удовлетворять следующему условию совместимости:

Угол φ азимута определяют либо по (Н_1т, Ηι_η) на основе уравнения

или из (Н_тт, Н_пп, Н_тп) по уравнению

Если все измерения (Н_1т, П,,. Н_тт, Н_пп, Н_тп) доступны, угол φ азимута можно определить путем минимизации ошибки,

- 7 005645 ошибка = |Τ7,_β( зш φ + Н_ъ соз р]² +

51П 2<р + Н_т СОЗ 2<р [30] н^{скважины} вычисляют через н^{инструмента} по уравнению

Эти уравнения следует использовать при определении К_н, Κ_ν и θ по измеренным значениям Н^{инструмента} многокомпонентного индукционного инструмента.

4. Инверсия данных электрического удельного сопротивления, получаемых из многокомпонентной индукции.

В настоящем изобретении для определения характеристик анизотропного электрического удельного сопротивления в определенном диапазоне углов отклонения используют технику инверсии. В случае, когда инструмент установлен в вертикальной скважине (θ=0), существуют два независимых измерения, причем каждое независимое измерение состоит из поля Н, имеющего синфазную и несфазированную компоненту.

Это означает, что Нц представляет собой функцию только от и, то есть горизонтальная компонента электрического удельного сопротивления. Н_й=Н_ии, что означает, что оба этих значения представляют собой функцию от и и от анизотропии λ²=Κ_Η/Κ_ν, то есть функцию как горизонтальной, так и вертикальной составляющих электрического удельного сопротивления.

На фиг. ЗА показана взаимозависимость между К-сигналом и горизонтальной составляющей К_нэлектрического удельного сопротивления формации. Эту взаимозависимость можно использовать для инверсии обычного К-сигнала для получения значения кажущегося сопротивления Кн. При использовании как резистивной К, так и реактивной Х компоненты измеренного сигнала, представляющих собой часть Нц, график, показанный на фиг. ЗВ, можно использовать для определения К_н. Это выполняют путем минимизации ошибки модели следующим образом:

ошибка ₌

4л^- г [38]

После определения К_н с помощью вышеприведенного уравнения можно определить вертикальную компоненту Κ_ν электрического удельного сопротивления по измерениям Нц. При определении этой компоненты определяют также отношение Κ_Η/Κ_ν как функцию К-сигнала, как показано на фиг. 3С. В качестве альтернативы это определение может быть основано на значении измеренного отношения Н_й/Нц, которое также основано на значении резистивной компоненты К-сигнала, то есть К_й/Кц, как показано на фиг. 30.

- 8 005645

Альтернативное средство определения горизонтальной и вертикальной составляющих электрического удельного сопротивления может представлять собой получение этих значений с использованием как резистивной, так и реактивной частей принятого сигнала из Н_й. На фиг. 4А показана номограмма, представляющая различающиеся отношения значений К_н, К_у анизотропного электрического удельного сопротивления (в данном случае, как функции, зависящей от X, равной квадратному корню отношения К_н/К_у). Как К_н, так и Κ_ν могут быть определены одновременно путем минимизации ошибки следующим образом:

ошибка = Н„ + измеренное г

4яг г³

[39]

Альтернативное средство определения К_н и Κ_ν показано на номограмме на фиг. 4В, на которой представлено отношение Κ_ν/Κ_Η как функция К- и Х-сигналов от Н_й. Обе величины К_н и Κ_ν могут быть определены одновременно, вновь путем минимизации уравнения 29.

Когда инструмент записывает К- и Х-сигналы для компонент Нц и Н_й, К_н и Κ_ν могут быть определены одновременно путем минимизации ошибки ошибка = Н„ и

[40]

Как отмечено выше, в существующей практике бурения и каротажных измерений редко встречается ситуация, когда скважину бурят по вертикали. На противоположном конце диапазона определяют харак теристики анизотропного удельного сопротивления, когда скважина проходит, по существу, горизонтально (θ=90°). При этом уравнения 19-24 могут быть сведены к трем независимым измерениям, причем в каждом из них определяют резистивную и реактивную компоненту

Я_я=^{2(1-«) + «(1-_е“^)} [41]

[42]

«² (1 [44]

Здесь Н_й представляет собой функцию только от и и, следовательно, представляет собой функцию только горизонтальной компоненты К_н электрического удельного сопротивления. Н_и и Н_ии представляют собой функцию переменных и и α, то есть от и, и К_н, и Κ_ν.

На фиг. 5А показана номограмма, которая представляет соотношение между К сигналом от Н_и и горизонтальной составляющей К_н электрического удельного сопротивления. Ее можно использовать для инверсии К-сигнала для представления мнимой части электрического удельного сопротивления формации. В случае, когда К- и Х-сигналы доступны для Н_й, их также можно использовать для получения горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления формации для различающихся К_н, как показано на номограмме 5В. Это выполняют путем минимизации функции ошибки ошибка ~ измеренное , М_о е

[45]

Как только Кн будет определено с помощью любого из способов, приведенных выше, анизотропия и вертикальные составляющие электрического удельного сопротивления могут быть определены по различным сигналам на основе измерения Нц. Анизотропия Κ_ν/Κ_Η может быть получена по К-сигналу на основе измерения Нц, как показано на фиг. 5С. В качестве альтернативы, анизотропия К_у/К_н может быть получена как функция К-сигнала из значения Н_ии, как показано на фиг. 51). Следует отметить, что определение с использованием фиг. 51) в большей степени зависит К_н в отличие от К_у при высоком значении величин электрического удельного сопротивления, выражаемого в единицах Омом. Более точное опре

- 9 005645 деление отношения К_у/К_н может быть получено как отношение К-сигналов из величины Н_ии/Нц, как представлено на фиг. 5Е. Другая инверсия, которую применяют только при низких значениях электрического удельного сопротивления, представлена на фиг. 5Е, на которой делается попытка получения значения отношения К_у/К_н как функции отношения Н_ии/Н_й К сигналов, полученных на антеннах.

В предпочтительном способе, в соответствии с настоящим изобретением, сигналы К и Х используют для определения К_н и К_у одновременно. На номограмме, показанной на фиг. 6А, можно определить К_у и К_н для различных анизотропных значений как функцию отношения К/Х сигналов, полученных на Нц. Значения К_н и К_у могут быть определены путем минимизации функции ошибки измеренное [2 {г[1 - «]+ «(1 - в-*-¹) и

4я г I ошибка = Л_№ [46]

Однако отношение К_у/К_н может быть лучше определено из отношения Х/К сигналов, принятых на Нц, как показано на фиг. 6В. Как на фиг. 6А, значения К_у и К_н можно определить для различающихся значений анизотропии на основе отношения К/Х сигналов, полученных на Н_ии, как показано на фиг. 6С, с последующей минимизацией следующих функций ошибки для определения Р_у и К_н измеренное ошибка = Н,_т [1 - и + м² ]- и(1 - е^и(о'^,))+ «² (1 - а е^х<оЧ)4π г^{3 к} )!

[47]

Как и при использовании сигналов, принятых на Нц, отношение К_у/К_н лучше всего может быть определено по отношению к значениям анизотропии на основе отношения Х/К сигналов, принятых на Н_ии, как представлено на фиг. 6Ώ, с последующим применением функции ошибки

Когда оба сигнала К и Х доступны со всех мест положения антенн значения Нц, Н_ии, и Н_й, К_н и К_умогут быть определены одновременно с большей точностью путем минимизации функции ошибки измеренное 2/ ошибка = Н„ + —--г-Я-ц+и²!

4тг г Ί [48]

Два выше приведенных способа относятся к определению значений К_н и Ку в самых крайних случаях, то есть θ=0° или 90°. Более часто угол наклона скважины будет иметь некоторое значение в пределах этого диапазона. Вышеприведенный способ определения вертикальной и горизонтальной составляющих электрического удельного сопротивления формации можно использовать, когда угол наклона меньше 30°. Однако влияние угла наклона становится существенным для значений, превышающих 30°. В этом случае следует использовать уравнения 19-24 в полной форме

Существуют три переменных, которые характеризуют анизотропные характеристики формации. Нц зависит только от и (следовательно, от К_н) и β, в то время как переменные Н_й, Нц и Н_ии зависят от и, β и θ. При этом выполняют четыре независимых измерения, каждое из которых имеет К и Х компоненты для этой чрезмерно ограниченной модели.

К- и Х-сигналы от Нц можно использовать для определения и (или К_н) и β, если θ (учитывая, что β ~ э/соз θ + α 8Ϊη Θ _{и КОГ}д_а Θ—>90°, β—χχ) _и Κ_ν/Κ_Η имеют большие значения. Эта взаимозависимость представлена на номограмме по фиг. 7А, по которой можно определить К_н и β как функцию К- и Х

- 10 005645 сигналов от Н₁₁ для изменяющихся значений К_н и β. Значения К_н и β также можно определить из К- и Хсигналов от Н11 путем минимизации функции ошибки ошибка = и] +1/(1 [49]

В качестве альтернативы, К_н можно определить по отношению сигналов К/Х от Н₁₁, как показано на номограмме фиг. 7А. После определения К_н (или и) и β, они могут быть подставлены в уравнения 20-22 для определения остальных двух переменных, Κ_ν и θ. Таким образом, можно определить горизонтальные и вертикальные составляющие электрических удельных сопротивлений, К_н и Κ_ν, не зная заранее угол θ наклона, который может быть определен независимо.

Когда сигналы К и Х поступают от Н₁₁, Нц, Нц и Н_ии, тогда К_н и Κ_ν, и θ могут быть определены путем минимизации функции ошибки ошибка ₌ н_и {₂[1 - _м]+_И(1 ^№ 4я- г^{3 { 1 ν} [50]

Для минимизации функции ошибки по уравнению 50 можно использовать коммерчески доступные компьютерные программы. Минимизация ошибки, проводимая с использованием уравнения 50, позволяет использовать измеренные значения, в отличие от повернутых значений для коррекции угла азимута и глубины, для одновременного определения значений К_н, Κ_ν и θ.

Следует отметить, что в случае когда угол θ отклонения заранее известен и он не является малым, тогда любое или все уравнения 20-22 можно использовать для определения К_н и Κ_ν. Например, оба сигнала К и Х от Нц можно использовать для определения К_н и β и затем можно определить Κ_ν по β, если угол θ известен.

Следует понимать, что выше были описаны различные способы определения вертикальной и горизонтальной составляющих электрического удельного сопротивления. Выбор модели для использования на практике должен быть основан на принимаемых сигналах, а также насколько хорошо модели инверсии коррелирует с формацией, в которой производят измерение. Определение К_н может быть выполнено как функция резистивного и реактивного компонентов сигнала К(ц) и Х(₁₁) (см. описание фиг. 3 В) или как их отношение (см. описание фиг. 7В); по резистивной и реактивной компоненте К(_й) и Х(_й) (см. описание фиг. 5В).

В соответствии с этим, предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения раскрывает средство, предназначенное для определения анизотропного электрического удельного сопротивления формации с использованием многокомпонентного индукционного инструмента. Кроме того, раскрыт способ, предназначенный для выполнения техники инверсии, предназначенной для определения указанных характеристик, с использованием различных комбинаций К- и Х-сигналов при различных местах расположения антенны. Кроме того, был раскрыт способ определения отклонения формации или угла падения пласта.

Хотя в отношении настоящего изобретения могут быть выполнены различные модификации и оно может быть представлено в альтернативных формах, конкретные варианты его выполнения были представлены на примерах, показанных на чертежах, и были подробно описаны выше. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не предназначено для ограничения конкретными описанными формами. Настоящее изобретение, скорее, охватывает все модификации, эквиваленты, альтернативы, находящиеся в пределах объема и сущности настоящего изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.

Приложение 1. Преобразование между системами координат формации и скважины.

Рассматривают многокомпонентный индукционный резистивный инструмент направления (1, т, п), антенны которого совмещены с осями (ζ, х, у) формации.

реформации н„_

- 11 005645

Рассматривают наклонную скважину формации. Угол отклонения обозначен как θ. Без потери общности для наклонной скважины направление х-оси считают горизонтальным (фиг. 2). Рассматривают систему (1, ΐ, и) координат скважины, в которой и-ось совпадает с у-осью формации. Система координат скважины и система координат формации связаны операцией поворота вокруг у-оси на угол θ. ~ г

Ζ =*,(*) ί

У_

5ΛΆΘ 0 со$0 О

О !

Рассматривают многокомпонентный индукционный инструмент, направления антенны которого совмещены с направлениями (1, ΐ, и).

Н^{скважины} и н^{формации} связаны вращением по формулам

X	Н_а	н;		Ή,	Η„	н_ы
н_а	н_а	Η_ν	II ч* 3	Н„	н„	Н_ш
н_г.		н„.		н*	Η*	Н„

	СО30	— ЯП0	0’	’Н„	Н„	Н,	Г СО30	5Ш0	0‘
=	81П0	СО30	0	Ни	н„	н„	-51П0	СО50	0
	0	0	1		н_м	Ъ,.	0	0	1

н—~—- соз 20 - Я_Л зт 20 -соз20 + Я*δίη20

Или в терминах отдельных компонент

Я_к = Н„ соз² 0 + Н„ зт² 0 - 2 соз Θ зш 0

Н„ = Н„ зш² 0 + Н„ соз² 0 + 2соз0зт0Н„ =

Н„ = (Ни - Н„)соз031П0 4-(соз² 0 -зш² 0)/7/, = —-*-зш20 + Я_А СО320

Ну. = Я^ СО50 - Η„ 8Ш0

Н„ = Н^ 8ΪΠ0 + Н_м СО50

я._у=я_м,

Первые три уравнения можно переписать в виде

Я_я4-Я_хг=Я_//+Я_ж соз20-Я_А зш20

2 * τι тх Я = _^₈ίη20 + Н_{, соз 20

При таком повороте существуют три независимые инвариантные компоненты

Правые стороны во всех трех уравнениях могут быть связаны с этими измерениями. Левые стороны выражены, как показано ниже, в виде функций σ_Η, σ_ν и θ. Эти три уравнения можно использовать для инвертирования индукционных измерений для определения значений анизотропного электрического удельного сопротивления формации и угла θ наклона.

В продольно анизотропной формации компоненты Н_у2 и Н_ух исчезают, как показано ниже, в приложении 3. Из этого ортогонального условия = Н* СО50 - 51П0 = О = Η* 5ΪΠ0 4* Н_м СО5 0 ~ 0 следующие два результата измерений также равны нулю

Я_я,=Я_и,=0

Приложение 2. Преобразование между системами координат инструмента и скважины. Инструмент поворачивают вокруг 1-оси инструмента на угол φ

- 12 005645

ГЛ о о созр δίη^ ί =Яу(0?) ί

-δϊηφ соз/р п

Н^{скважины} _и Н^{инструмента} связаны через поворот следующим образом:

Я/,		н_ы'	'н_в	Нь.	я/
н„	Н„	н»
.^н«		И-.	н*		я„,_

и й

Или, выражая индивидуальные компоненты

Н_{, = Н_)тсоъ(р-Η_Χα3\ηφ

Н_1а = Η_1ηι зш φ + Н_к созр

Ί	⁰ 1	\н_а	я,_ж		Ί	0 *
=	созр	— $ΐηρ	Я_ж,	ТХ ** шт		СОЗ ¢7	5Ш0>
	δΐηςρ	СО50>				-Зтр	СО5^>

IX ,11 IX _ _ τχ

Н₍, - соз²φ + Н„,81П²φ-2οοδ^δίηφΗ*» = + н 4-Ч и — и

---2---2--- И™ ₌ ^И _{άη2φ + Нят} 0082^

Последние три уравнения можно переписать в следующем виде:

сое² φ + 2 сов φ δίη φ

- Я^созрзт? + (соз² φ - 8Ш> X,, соз2р-И _атз}

Из условия ортогональности Н_и1=Н_и1=0 вытекает

Таким образом, угол φ азимута можно определить из набора измерений (Н_1т, Н_1п) или измерений (Нтт, Нпп, Нтп).

Угол α азимута задают в соответствии со следующими уравнениями:

При этом (Н_1т, Н_1п, Н_тт, Н_пп, Н_тп) должны удовлетворять следующему условию совместимости:

Это получают путем исключения φ в следующем виде:

Четыре измерения {11ц, Н_1ь Н_й, Н_ии} в системе (1, ΐ, и) координат скважины получают с использованием пяти {11ц, Н_1т, Н_1п, Н_тт, Н_пп} измерений в системе (1, т, п) координат в следующем виде:

- 13 005645

Если дополнительно измерить Н_тп, тогда условие ортогональности, приведенное выше, можно использовать для проверки условия согласованности (ОС)-условия.

Приложение 3. Определение п_Н, σ_ν и θ.

В системе (ζ, х, у) координат формации

где

и на приемнике, помещенном в точке Ц,х,у)=(Ьсо8^ 0),

Мы также установили условие, что все передатчики обеспечивают одинаковую напряженность поля: М₁=М₁=М_и=М₀. Тогда

- 14 005645 где

Тогда три инвариантные компоненты можно записать как

Имеется три инварианта и имеется три неизвестных к_н, λ и θ.

Или просто, используя все четыре уравнения для Н_хх, Η_χζ, и Η_ζζ и Н_уу можно определить к_н, λ и θ. Поскольку

вышеприведенные уравнения также справедливы в системе (1, ΐ, и) координат инструмента.

Однако оказывается, что решение следующих уравнений может быть более простым для к_н, λ и θ, следовательно, и для λ.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления и вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления геологической формации, через которую проходит скважина, содержащий

- 15 005645 (a) разработку инверсионной модели для различных геологических формаций;

(b) установку индукционного инструмента в указанной скважине, причем указанный инструмент имеет продольную ось, передающую антенную решетку, состоящую из трех взаимно ортогональных передающих антенн, причем по меньшей мере одна антенна ориентирована параллельно продольной оси указанного инструмента, и приемную антенную решетку, расположенную на некотором расстоянии от передающей антенной решетки, причем указанная приемная антенная решетка состоит из трех взаимно ортогональных приемных антенн, приемная антенная решетка имеет ту же ориентацию, что и указанная передающая антенная решетка;

(c) активацию указанной передающей антенной решетки и измерение значений электромагнитных сигналов, индуцируемых в указанной приемной антенной решетке, включая резистивные и реактивные компоненты указанных значений сигналов;

(ά) определение угла азимута для указанного инструмента;

(е) вычисление значений вторичных сигналов как функции указанных измеренных значений сигналов и указанного угла азимута и (£) одновременное определение указанной горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления, вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления и угла падения пласта как функции выбранных резистивного и реактивного компонентов указанных вторичных сигналов путем минимизации ошибки с использованием указанной инверсионной модели.
2. Способ по п.1, в котором указанный угол азимута вычисляют как функцию указанных электромагнитных сигналов указанной приемной антенной решетки, сигналы которой измеряются по отношению к направлению, перпендикулярному указанной продольной оси инструмента, которая связана с направлением указанной горизонтальной составляющей электрического удельного сопротивления и указанной вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления.
3. Способ по п.1 или 2, в котором этап (£) дополнительно включает одновременное определение угла падения пласта.
4. Способ по п.1, в котором указанные значения вторичного сигнала вычисляют путем поворота указанных измеренных значений сигналов на указанный угол азимута в противоположном направлении.
5. Способ по п.3, в котором указанный угол падения пласта вычисляют как функцию указанных вторичных значений для указанных электромагнитных сигналов приемной антенны параллельно указанной продольной оси инструмента по отношению к указанной вертикальной составляющей электрического удельного сопротивления.