EA007372B1 - Способ применения электрических и акустических измерений анизотропии для выявления трещин - Google Patents

Abstract

В изобретении описано проведение измерений в скважине с использованием прибора акустического каротажа со скрещенными диполями. Результаты измерений обрабатывают для определения главных направлений азимутальной анизотропии залегающего под земной поверхностью пласта горной породы. Также в целях корреляции и сопоставления данных проводят измерения для получения диаграммы (621) гамма-каротажа, кавернограммы (623), кривой (631) плотности и кривой (633) пористости по данным нейтронного каротажа, результаты которых приведены, например, в колонках (601, 603). При помощи прибора многокомпонентного индукционного каротажа, способного осуществлять электрические измерения на нескольких различных частотах и в диапазоне различных глубин скважины, также осуществляют измерения, отображающие азимутальные изменения электрического удельного сопротивления и проводимости (605, 607, 609, 611). Результаты таких электрических измерений обрабатывают с использованием главного направления анизотропии, определенного на основе результатов акустических измерений, и оценивают азимутальные изменения электрического удельного сопротивления. На основе результатов моделирования интерпретируют азимутальные изменения электрического удельного сопротивления и оценивают глубину трещин в горной породе на предмет наличия в них известных флюидов.

Description

Предпосылки создания изобретения Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к области интерпретации измерений, выполняемых при помощи каротажных приборов для определения свойств геологических формаций. В частности, изобретение относится к способу выявления трещиноватости горных пород и определения направления трещин в пластах, залегающих под земной поверхностью.

Уровень техники

Значительное число коллекторов углеводородов содержит трещиноватые пласты, в которых на долю породы с трещинной пористостью приходится значительная часть насыщенного флюидом объема. Кроме того, трещиноватость пласта является фактором, в значительной мере повышающим проницаемость коллектора. При разработке коллекторов определение направления трещин и степени растрескивания пород имеет существенное значение по двум основным причинам.

Существенный фактор, обусловливающий необходимость определения направления трещин, заключается в том, что такая информация позволяет бурить наклонные или горизонтальные скважины так, чтобы их ось проходила по возможности перпендикулярно плоскости трещин. Скважина, пробуренная в таком предпочтительном направлении в породе с низкой проницаемостью и пористостью, будет пересекать большое количество трещин, и поэтому у нее будет более высокий дебит, чем у скважины, пробуренной параллельно трещинам. Знание степени растрескивания также помогает делать расчеты потенциальных темпов отбора из коллектора и оптимизировать добычу.

Образование трещин в залегающих под земной поверхностью пластах в значительной мере обусловлено полями напряжений в породе. В частности, плоскости трещин ориентированы в направлении, ортогональном направлению минимального главного напряжения в пласте. В трещиноватом пласте поле напряжений является анизотропным. Общеизвестно, что анизотропия поля напряжений или трещиноватость породы является причиной такого явления, как двупреломление поперечных волн, при котором скорость поперечных волн зависит от направления их распространения и поляризации этих волн.

Явление двупреломления поперечных волн в залегающих под земной поверхностью пластах упомянуто Лйотб'ом в отношении данных наземной сейсморазведки. Поскольку порядок разрешающей способности сейсмологических данных составляет десятки метров, соотнесение проводимых с земной поверхности сейсмологических измерений азимутальной анизотропии с точными интервалами коллектора является сложной задачей. После исследований, проведенных Лйотб'ом, проводились и другие исследования, в частности ХУйИсгЦсш'ом на предмет использования методики последовательного снятия влияния вышележащих слоев с целью определения азимутальной анизотропии в залегающих под земной поверхностью пластах на основе результатов наземных измерений. Этой методике присуща значительная погрешность, связанная с определением главных направлений анизотропии поперечных волн.

В патенте И8 4832148 (Вескег), полностью включенном в настоящее описание путем ссылки, описано применение способа акустического каротажа скважины, в котором измеряют время пробега поперечных волн с двумя различными поляризациями. Вращая системы координат измеряемых поперечных волн, можно определять главные направления. Главные направления соответствуют направлению поперечных волн с поляризацией, параллельной и перпендикулярной простиранию трещины, причем в первом случае распространение волн идет с большей скоростью, чем во втором. Это направление простирания трещины часто совпадает с направлением действия максимальных напряжений в естественном залегании. В патенте И8 6098021 (Тапд и др.), полностью включенном в настоящее описание путем ссылки, описано определение степени анизотропии вблизи скважины при помощи поперечных волн с радиальной поляризацией, возбуждаемых монопольным источником. Затем по двупреломлению поперечных волн, возбуждаемых скрещенными диполями на частоте, меньшей частоты монопольного источника, судят о наличии анизотропии поперечных волн в пласте на удалении от скважины.

Таким образом, способ по патенту Тапд'а является усовершенствованием решения по патенту Вескег'а в той мере, насколько имеется возможность провести качественное различие между данными влияния анизотропии вблизи скважины и на удалении от нее. Недостатком измерения двупреломления поперечных волн является невозможность провести различие между анизотропией, обусловленной напряжением в породе, и анизотропией, обусловленной трещиноватостью. Хотя причиной образования трещин может являться анизотропия напряжений в породе, возможность определения линейных размеров или границ трещин имеет большое значение при проектировании скважин.

Помимо влияния анизотропии на распространение упругих волн, в залегающих под земной поверхностью пластах также присутствует электрическая анизотропия. Следует отметить, что термины упругий и акустический используются в настоящем описании как взаимозаменяемые, хотя второй не является технически правильным. В патенте ϋδ 4924187 (8ртип! и др.), полностью включенном в настоящее описание путем ссылки, описана обработка керна, извлеченного из подземного пласта, причем на керне формируют несколько параллельных плоских наружных поверхностей. Во всех азимутальных направлениях, перпендикулярных соответствующим парам плоских параллельных наружных поверхностей, измеряют электрическое удельное сопротивление керна для каждого из множества различных значений насыщенности керна флюидом. Для каждого проходящего через керн азимутального направления, для ко

- 1 007372 торого было измерено электрическое удельное сопротивление, строят график в логарифмическом масштабе, отображающий зависимость электрического удельного сопротивления от насыщенности породы водой. Если при измерениях во всех азимутальных направлениях получен одинаковый график в логарифмическом масштабе, считается, что керн является электрически изотропным. Если по меньшей мере для двух азимутальных направлений получены различные графики в логарифмическом масштабе, керн считается электрически анизотропным.

Из показанных на фиг. 1 результатов измерений по патенту 8рши1'а можно сделать два вывода. Первый из них заключается в том, что азимутальное непостоянство электрической анизотропии в керне относительно мало по сравнению с разностью измерений, осуществляемых параллельно и ортогонально плоскости напластования. Это разность особенно велика при малой насыщенности водой. Разброс значений анизотропии по азимуту составляет порядка нескольких процентов, тогда как электрическое удельное сопротивление в направлении, перпендикулярном плоскости напластования, может в пять раз превышать электрическое удельное сопротивление в направлении, параллельном плоскости напластования. Второй вывод, который можно сделать, заключается в том, что измеренная анизотропия зависит от насыщенности водой. Последнее наводит на мысль о том, что результаты измерений разброса электрической анизотропии по азимуту могут служить показателем трещиноватости и/или нефтегазонасыщенности пласта.

В патенте И8 6191586 (Вй£ат) описаны способ и устройство для реализации возможностей азимутальных измерений в каротажных приборах, действие которых основано на оценке удельного сопротивления распространению электромагнитных волн в исследуемой среде. Устройство имеет экранирующую оболочку простой конструкции, расположенную вокруг излучающей или принимающей антенны на каротажном приборе, установленном на бурильной колонне, или вокруг обеих антенн. Экранирующие оболочки частично окружают прибор и создают электромагнитный барьер для излучения или приема электромагнитных волн, в зависимости от того, какая антенна экранирована. На экранирующей оболочке в соответствующих положениях предусмотрены окна соответствующего размера, через которые могут передаваться или приниматься электромагнитные волны в зависимости от функции антенны, которую защищает экранирующая оболочка. Одним из решений В1Иат'а является применение устройства для определения наклона пласта (а именно, наклон оси прибора относительно нормали к плоскости напластования). Влияние наклона может быть довольно значительным с учетом приведенных на фиг. 1 различий между значениями электрического удельного сопротивления в вертикальном и горизонтальном направлениях. В приборе по патенту ВШаг'а используются излучающие антенны, у которых ось обмотки проходит параллельно прибору и скважине, и этот прибор не рассчитан на обнаружение незначительных отклонений, обусловленных возможным ориентированным растрескиванием пласта.

Причиной образования трещин в породе может быть использование утяжеленных буровых растворов, если давление раствора превышает прочность породы. В нефтегазоносных бассейнах максимальное напряжение часто направлено по вертикальной оси, а минимальное напряжение - по горизонтальной оси. По этой причине обычно образуются вертикальные трещины, проходящие в направлении максимальных значений напряжения. Из теории механики известно, что направление, перпендикулярное трещине, является направлением минимального главного напряжения, в связи с чем направление преимущественного развития трещины совпадает с направлением максимального напряжения в естественном залегании. Как следует из ранее проведенных исследований, большинство гидравлических разрывов, если не считать совсем неглубокие скважины, проходит в вертикальном или почти вертикальном направлении. Трещины изменяют механические и электрические свойства пласта и тем самым влияют на каротажные диаграммы при использовании методов как акустического, так и индукционного каротажа. Существенным моментом является наличие возможности по глубине растрескивания определить, вызваны ли трещины процессом бурения или они существовали ранее. Последний вариант имеет значение с точки зрения разработки коллектора, тогда как первый вариант может лишь свидетельствовать о наличии поля напряжения вблизи ствола скважины.

Таким образом, существует потребность в способе определения размеров и направления трещин в залегающих под земной поверхностью пластах горных пород. Предпочтительно, чтобы такой способ обеспечивал достаточное быстродействие в том смысле, что получение данных должно происходить с нормальной скоростью каротажа. Настоящее изобретение отвечает данной потребности.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предложен способ определения ориентации и протяженности трещин в залегающих под земной поверхностью пластах горных пород, или формациях. С этой целью в скважине, проходящей в исследуемом пласте, посредством прибора акустического каротажа со скрещенными диполями проводят серию акустических измерений. Результаты измерений, полученные прибором акустического каротажа со скрещенными диполями, обрабатывают и оценивают главное направление анизотропии исследуемого пласта относительно оси ствола скважины. Прибором электрического каротажа в скважине проводят измерения азимутального изменения электрического удельного сопротивления. Используя модель, включающую в себя главное направление анизотропии, определенное на основе результатов измерений прибором со скрещенными диполями, электрические измерения поворачивают, ориен

- 2 007372 тируя их в главном направлении, с получением индикатора электрической анизотропии в этом главном направлении.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения прибор акустического каротажа имеет две системы излучателей и приемников поперечных волн со скрещенными диполями и генерирует две дипольные поперечные волны различной поляризации. При оценке главного направления анизотропии определяют разность скоростей или времен пробега двух дипольных поперечных волн и определяют ориентацию быстрой поперечной волны в системе координат, связанной с прибором.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения прибор электрического каротажа представляет собой прибор многокомпонентного индукционного каротажа (3ΌΕΧ), в котором антенны излучателя и приемника ориентированы ортогонально оси прибора. В предложенном способе используются результаты измерений Н,,.. Нуу и Н_ху в различных сочетаниях друг с другом.

Вышеупомянутая модель включает в себя различные параметры. в том числе электрическое удельное сопротивление пласта при отсутствии в нем трещин, плотность расположения трещин, насыщенность трещин флюидом и электрическое удельное сопротивление содержащихся в трещинах флюидов. Данные о сопротивлении породы и флюидов получают при помощи других измерений либо они известны заранее. На основе моделирующих расчетов интерпретируют наблюдаемую электрическую анизотропию для определения глубины трещины.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания изобретения оно описано со ссылкой на приложенные чертежи. на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы. На чертежах показано:

на фиг. 1 (известный уровень техники) показана электрическая анизотропия керна.

на фиг. 2 - взаимное расположение излучающих и принимающих обмоток в устройстве. соответствующем предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения и серийно выпускаемом под названием 3ΌΕΧ™.

на фиг. 3 - сравнение относительной величины анизотропии для акустических волн и относительной величины анизотропии при измерениях сопротивления на частоте 21 кГц.

на фиг. 4 - сравнение относительной величины анизотропии для акустических волн и относительной величины анизотропии при измерениях сопротивления на частоте 222 кГц.

на фиг. 5А - сравнение электрической анизотропии и анизотропии поперечных волн.

на фиг. 5Б - данные многокомпонентных индукционных измерений на частоте 220 кГц.

на фиг. 6А и 6Б - данные. аналогичные представленным на фиг. 5А и 5Б соответственно. при этом индукционные измерения осуществляют на частоте 22 кГц.

на фиг. 7 - примеры многокомпонентных индукционных измерений. проведенных на нескольких частотах по глубине интервала типичной скважины с трещинами.

на фиг. 8 - разность компонент XX и ΥΥ данных. приведенных на фиг. 4.

на фиг. 9 - зависимость разности компонент XX и ΥΥ от частоты на трех различных выбранных глубинах типичной скважины.

на фиг. 10 - волновая картина при вступлении волны Стоунли в показанную на фиг. 7 типичную скважину в определенном интервале глубин. а также . интерпретированные данные проницаемости.

на фиг. 11 - формы быстрой и медленной акустических волн. полученные каротажным прибором со скрещенными диполями. а также интерпретированная анизотропия и кривая скорости быстрой поперечной волны в типичной скважине.

на фиг. 12А - схематическое изображение трещины крыльевого типа. расходящейся в стороны от ствола скважины.

на фиг. 12Б - вид сверху изображения трещины на фиг. 12А. а также система координат. привязанная к пласту. и система координат. привязанная к каротажному прибору.

на фиг. 13А-В - разность между компонентами результатов измерений электрического удельного сопротивления в направлениях хх. уу и ζζ. соответствующих модели трещины крыльевого типа.

на фиг. 14 - сравнение результатов моделирования для трещин различной длины и измерений. сделанных в типичной скважине.

на фиг. 15 - кривые компонент хх. уу и ζζ для трещины крыльевого типа. заполненной проводящим флюидом.

Подробное описание изобретения

При осуществлении способа по настоящему изобретению для определения скорости распространения поперечных волн. генерируемых излучателями. имеющими две различные (предпочтительно. ортогональные) поляризации. и регистрируемых по меньшей мере двумя приемниками с предпочтительно взаимно-перпендикулярной ориентацией. применяется каротажный прибор со скрещенными диполями. При помощи известных из уровня техники способов. в частности. описанных в патенте Таид'а. определяют главные направления азимутальной анизотропии поперечных волн. а также скорости двух поперечных волн. Как указано выше при рассмотрении предпосылок создания изобретения. невозможно быть уверенным в том. что ось ствола скважины всегда проходит перпендикулярно плоскости напластования. Тем не менее. специалистам в данной области техники известно. что при отклонении от нормали на угол

- 3 007372 до 10° влияние наклона скважины будет незначительно, и известный из уровня техники метод вращения обеспечивает достаточно точные данные оценки главных направлений азимутальной анизотропии.

На фиг. 2 показано взаимное расположение обмоток излучателей и приемников в предпочтительном варианте осуществления индукционного каротажного прибора 3ΌΕΧ фирмы Вакег Нидйек. Показаны три взаимно-перпендикулярных излучателя 101, 103 и 105, обозначенных как Т_х, Ту и Τ_ζ (ось ζ является продольной осью прибора). Излучателям 101, 103 и 105 соответствуют приемники 107, 109 и 111, обозначенные как В_х, Β_γ и Β_ζ, служащие для измерения соответствующих магнитных полей. В предпочтительном режиме работы прибора осуществляют измерения компонент Н_хх, Η_γγ , Η_ζζ, Η_Χγ и Η_ΧΖ, но при этом также могут использоваться другие компоненты, например, Н_хх, Η_γζ, Η_ΖΧ или Η_ζγ. В системе условных обозначений, принятых в настоящей заявке, прописными буквами обозначены оси системы координат, связанной с прибором, а строчными - оси земной системы координат. Различия между ними описаны далее.

Для лучшего понимания изобретения предложенный описан на примерах. На фиг. 3 в качестве примера приведены данные, полученные при измерениях в стволе скважины. Показанный общий интервал глубин, измерявшихся в стволе скважины, составляет около 450 футов (примерно 140 метров). Кривая 201 отображает угол поворота прибора, кривая 203 - отклонение ствола скважины от вертикали, а кривая 205 - азимут ствола скважины. Результаты данных измерений получены при помощи обычных датчиков. На фиг. 4 приведены соответствующие данные электрического удельного сопротивления и акустических параметров, измеренные в том же интервале глубин. Кривая 303 представляет собой результат обработки данных акустического каротажа посредством скрещенных диполей: она характеризует анизотропию, определенную путем регистрации двух упомянутых выше поперечных волн, распространяющихся параллельно оси ствола скважины. Кривая 305 отображает приведенное отношение измерений Н_хх и Н-уу, осуществленных каротажным прибором 3ΌΕΧ на частоте каротажа 222 кГц. Не показаны на фиг. 3 и 4 результаты гамма-каротажа, полученные в таком же интервале. Диаграммы гамма-каротажа указывают на то, что в показанном интервале в составе породы преобладают глинистые сланцы, причем песок имеется в интервалах глубин 150-200 футов и 220-250 футов (обозначенных на фиг. 4 как 81 и 82).

Как показано на фиг. 4, измеренная разность между параметрами двух поперечных волн составляет менее 1% в интервале 301 глубин, который, как известно по результатам гамма-каротажа, целиком состоит из глинистых сланцев. Отклонение ствола скважины от вертикали на всем показанном на фиг. 4 интервале по глубине, составляет от 25 до 30°. Незначительная анизотропия поперечных волн в интервале 301 свидетельствует об отсутствии естественной поперечной изотропии (ПИ) глинистых сланцев в скважине в отношении скорости распространения звука (при этом поперечная изотропия определяется разностью между скоростью волн, параллельных и перпендикулярных напластованию). Если бы в глинистых сланцах имелась значительная ПИ, то каротажный прибор со скрещенными диполями при осуществлении измерений обнаружил бы ее при значительном отклонении от нормали к плоскости напластования. Тем не менее, обращение данных, полученных прибором 3ΌΕΧ (на фиг. 4 не показаны), показывает, что вертикальное сопротивление в глинистых сланцах примерно в три раза превышает горизонтальное сопротивление в интервале 301 глубин, т.е. имеет место существенная поперечная изотропия сопротивления глинистых сланцев. То же обращение показывает, что в интервалах 81 и 82, которые, как установлено, являются преимущественно песчаными, разность между вертикальным и горизонтальным сопротивлением значительно меньше. Соответствующий способ обращения данных многокомпонентного индукционного каротажа описан в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке И8 09/798120 (ζΐιαη§ и др.), в настоящее время патент И8 6502036, признаки которого полностью включены в настоящее описание путем ссылки.

Одной из важных задач при разработке коллекторов углеводородов является обнаружение трещин. Трещины обеспечивают проход для потока углеводородов, в результате чего проницаемость пласта в направлении, параллельном трещинам, значительно превышает проницаемость в направлении, перпендикулярном плоскости трещин. Одним из следствий однонаправленности трещин является возникновение азимутальной анизотропии. Строго говоря, наличие таких трещин в изотропной среде также приводит к появлению поперечной изотропии, однако в рамках настоящего изобретения в этом случае используется термин азимутальная анизотропия, а термин поперечная изотропия применяется в отношении анизотропии, обусловленной напластованием. При использовании каротажного прибора со скрещенными диполями это приводит к регистрации различий в скорости распространяющихся в осевом направлении поперечных волн с поляризацией, параллельной и ортогональной плоскости трещины. Данное явление представлено на фиг. 4 на примере более глубокого интервала глубин в диапазоне от 250 до 400 футов, при этом кривая 303 отображает существенное различие между распространением двух поперечных волн, которое составляет свыше 10%. Как известно, данный интервал глубин представляет собой пласт глинистых сланцев, следовательно, исходя из вышеизложенного, столь значительное различие не может объясняться результатами измерений, осуществляемых в наклонном стволе скважины, проходящем через среду с ПИ. Таким образом, измерения посредством скрещенных диполей дают основания полагать, что существуют интервалы глубин, показанные на фиг. 4, в которых присутствует значительная азимутальная анизотропия, возможно, вызванная образованием трещин. Однако каротажный прибор со скрещен

- 4 007372 ными диполями работает на частоте 2 кГц. Скорость поперечной волны в глинистых сланцах и песчаниках находится в пределах от 180 до 200 мкс/фут (примерно 1600 м/с). Соответственно, длина поперечных волн составляет примерно 1,2 м. Это означает, что каротажный прибор со скрещенными диполями не может получать данные из глубины пласта. В связи с этим для диагностики глубины трещины было бы желательно получить результаты других измерений. С этой целью можно использовать описанный далее прибор 3ΌΕΧ.

Специалистам в данной области техники известно, что обращение данных прибора 3ΌΕΧ, полученных из наклонных стволов скважин при наличии азимутальной анизотропии, является трудновыполнимой задачей. Как известно, компонента Η_ζζ данных, полученных из вертикального ствола скважины, отражает главным образом горизонтальную проводимость горных пород, и благодаря осевой симметрии выравнивает возможные азимутальные изменения горизонтального электрического удельного сопротивления путем усреднения. Компоненты Н_хх и Н_уу, полученные из вертикального ствола скважины, отображают сочетание компонент вертикального сопротивления и горизонтального сопротивления в направлениях у и х, соответственно. Теоретически, в среде с азимутальной анизотропией основные компоненты Н_хх, Н_уу и Η_ζζ, полученные из вертикального ствола скважины, могут быть обращены в три значения сопротивления (одной компоненты вертикального сопротивления и двух компонент горизонтального сопротивления). Тем не менее, в случае наклонного ствола скважины даже при отсутствии азимутальной анизотропии компоненты Н_хх и Н_уу будут различаться и изменяться при повороте прибора. Для вычисления сопротивления пласта требуется дополнительная информация, такая как наклон и азимут ствола скважин, либо в процесс обращения необходимо ввести дополнительные данные магнитного поля, такие как Н_ху, Η_χζ и т.д. Теоретически, взаимно пересекающиеся компоненты должны быть способны повысить точность обращения в зависимости от отношения сигнал-шум.

Тем не менее, настоящее изобретение показывает, что для интерпретации трещин под земной поверхностью можно использовать сочетание данных, полученных прибором 3ΌΕΧ, и результатов измерений посредством скрещенных диполей. Как показано на фиг. 4, кривая 305, проходящая через интервал глубин от 250 до 400 футов, отображает существенное различие между результатами измерения компонентов Н_хх и Н_уу и хорошо коррелируется с анизотропией, выявляемой измерениями посредством скрещенных диполей. Как указано выше, акустические измерения указывают на трещиноватость породы в этом интервале глубин. Несмотря на некоторый поворот прибора в данном интервале (см. позицию 202 на фиг. 3), угол такого поворота в целом находится в пределах 45°. Описанные ниже различия между результатами измерений компонентов Нхх и Нуу являются показателем протяженности трещин в глубь пласта (радиальной протяженности).

На фиг. 5 показан более значительный интервал глубин. Кривая 401 отображает анизотропию применительно к поперечным волнам вдоль оси ствола скважины. Измерения также осуществлялись в той же скважине и в том же интервале глубин с использованием прибора индукционного бокового каротажа 3ΌΕΧ^8Μ фирмы Вакег Нидйек на частоте 222 кГц. Кривая 507 отображает нормализованное отношение кривых 503 и 505 (результаты измерений компонентов Н_хх и Н_уу). На фиг. 6 показаны аналогичные кривые, полученные на частоте каротажа 21 кГц. Кривые 405 и 406 отображают результаты измерения компонентов Нхх и Нуу, а кривая 407 - их нормализованное отношение.

По разности показанных на фиг. 5 и 6 значений наблюдаемой азимутальной электрической анизотропии можно судить о том, насколько распространилась трещина и как глубоко она проникла в пласт. В частности, в интервалах, обозначенных позициями 211а, 211Ь, 211с, электрическая анизотропия (представленная разностью результатов измерения компонент Нхх и Нуу) меньше при более низких частотах. Измерения на низких частотах позволяют проникнуть в пласт глубже, чем измерения на более высоких частотах. В связи с этим для более полной характеристики трещин эти данные можно использовать в сочетании с результатами измерений посредством скрещенных диполей. Этот же вывод должен быть справедлив и для измерений градиент-зондом с использованием контактного метода, который позволяет получать данные с различной глубиной исследования. В этих целях также могут применяться индукционные каротажные зонды для тяжелых условий работы различной длины и/или работающие на различных частотах.

Дополнительную информацию, характеризующую трещины, можно получать, проводя измерения при помощи приборов, формирующих изображения ствола скважины. Данные изображений дают информацию о трещинах в меньшем масштабе по сравнению с другими описанными выше методами, такую как просвет трещины, а также некоторые показатели электрического удельного сопротивления внутри трещины. В результате анализа данных изображений, получаемых из ствола скважины, также можно определить относительный наклон трещины, пересекающей скважину или вызванной бурением. В патенте И8 5502686 (Иоту) и др., и патентной заявке И8 09/754431 (в настоящее время патент И8 6348796 (Εναηδ и др.)), которые полностью включены в настоящее описание путем ссылки, описаны соответствующие устройства для формирования изображений по данным метода сопротивлений. Способы интерпретации изображений, полученных из ствола скважины по данным метода сопротивлений, а также акустических изображений для определения относительных направлений простирания и наклона трещин известны специалистам в данной области техники.

- 5 007372

В работе 8ейоепЬегд'а и 8ауег§'а описана методика моделирования акустических свойств трещиноватых сред и содержится вывод о том, что для определения ориентации доминирующего множества трещин и оценки податливости трещин относительно податливости породы без трещин могут использоваться сейсмические измерения. Авторы также приходят к заключению, что на основе данных сейсмических измерений на длинных волнах невозможно оценить форму и распределение трещин по размеру. Это в значительной степени объясняется тем, что скорости распространения акустических волн во флюидах и породе разнятся максимально в пять раз или около этого. Для сравнения, величины сопротивления флюидов и породы могут различаться на несколько порядков, в результате чего различия ощутимы даже при низкой плотности трещин. Эта особенность используется в настоящем изобретении для определения плотности трещин в породе.

Далее на примере, описанном со ссылкой на фиг. 7-13, показано применение описанных выше принципов. В колонке 601 каротажной диаграммы отображена диаграмма 621 гамма-каротажа и кавернограмма 623. В колонке 603 отображена кривая 631 плотности и кривая 633 пористости по данным нейтронного каротажа. В колонке 605 приведены кривые кажущейся проводимости в направлениях XX и ΥΥ на частоте 21 кГц. Колонки 607 и 609 отображают кривые кажущейся проводимости на частотах 62 к и 222 кГц, соответственно. Наконец, в колонке 611 приведены кривые кажущейся проводимости в направлении ΖΖ на частотах 21, 62 и 222 кГц. Конфигурация каротажного прибора, использовавшегося для получения кривых кажущейся проводимости, рассмотрена выше со ссылкой на фиг. 2.

Как показано на фиг. 7, верхний участок (выше Х460 футов) интервала глубин содержит пески и напластования песка/сланца. Нижний участок состоит преимущественно из сланцев. Следует отметить, что выше уровня Х460 футов диаграммы каротажа в направлениях XX и ΥΥ практически совпадают. Ниже уровня Х470 футов обе диаграммы расходятся на большей части интервала. Максимальные различия отмечены в интервале между Х510 и Х560 футов. В отличие от этого, кривые каротажа в направлении ΖΖ в данном интервале расходятся незначительно. При этом в районе Х530 футов значение кавернограммы примерно на 2 дюйма больше. В интервале Х510-540 футов плотность уменьшается примерно на 0,18 г/см³, а пористость по данным нейтронного каротажа возрастает с 24 единиц пористости до около 44-48 единиц пористости в районе Х525 футов.

На фиг. 8 более подробно проиллюстрированы диаграммы каротажа в направлениях XX и ΥΥ, в частности, приведен график различий между двумя названными диаграммами. Позицией 701 обозначена диаграмма гамма-каротажа и кавернограмма (аналогично позиции 601). Колонки 703, 705 и 707 отображают различия между результатами измерений в направлениях XX и ΥΥ на частоте 21, 62 и 222 кГц, соответственно. Позицией 709 обозначена кривая относительной величины азимутальной анизотропии по скорости поперечных волн, полученной на основе данных диаграммы каротажа посредством скрещенных диполей, как это рассматривается ниже. Следует отметить исключительное соответствие данных разности результатов индукционного каротажа и относительной величины азимутальной анизотропии по скорости поперечных волн на всем интервале каротажа. В интервале Х510-560 футов величина разности результатов измерений в направлениях XX и ΥΥ достигает, в зависимости от частоты, около 250 мСм/м. Значение разности сначала возрастает с увеличением частоты, начиная с нижней границы спектра частот, на которых осуществляются измерения, а затем - по мере дальнейшего увеличения частот до верхней границы спектра - уменьшается. Данная особенность четко показана на фиг. 9 для трех значений глубин в интервале каротажа. Как указано выше, в скважине, к которой относятся приведенные диаграммы каротажа, наиболее вероятной причиной разности результатов индукционного каротажа в направлениях XX и ΥΥ являются трещины, образовавшиеся естественным путем либо вызванные бурением.

Поведение волны Стоунли, которая представляет собой граничную волну, распространяющуюся в скважинном флюиде, зависит от наличия каналов (например, трещин), подводящих флюиды к стволу скважины, и может использоваться для измерения гидропроводности (т.е. проницаемости) таких каналов. На фиг. 10 в колонке 801 приведены диаграмма гамма-каротажа и кавернограмма. В колонке 803 показана форма волн Стоунли, зарегистрированных в стволе скважины. В колонке 805 показана проницаемость пласта, полученная на основе волн Стоунли с использованием известных из уровня техники способов, описанных Тапд'ом и др. (1998 г.). Сплошной линией в колонке 805 обозначена выясненная проницаемость, а штриховой и пунктирной линиями обозначены пределы погрешности выясненной проницаемости. Следует отметить, что проницаемость на глубине около Х525 футов примерно на два порядка превышает проницаемость верхнего участка интервала глубин, содержащего пористые пески. На глубине около Х525 волна Стоунли замедляется и значительно ослабляется. Такая аномально высокая проводимость в области залегания сланцев является признаком наличия хороших проводящих флюид каналов, таких как трещины.

На фиг. 11 в колонке 901 приведена диаграмма гамма-каротажа и кавернограмма. Отображенные на дорожке 903 данные диаграммы акустического каротажа посредством скрещенных диполей свидетельствуют о значительном разделении поперечных волн ниже уровня Х540 футов, при этом максимальная степень разделения наблюдается в интервале между Х500 и Х550 футов. Относительная величина азимутальной анизотропии, полученная с использованием быстрых и медленных поперечных волн, достигает максимальной величины 14% на глубине около Х525 футов. Направление поляризации быстрых попе

- 6 007372 речных волн (для которых время пробега приведено в последней колонке на фиг. 11) определяет направление простирания трещины. Для приведенных данных было установлено, при помощи способа, приведенного, в частности, в патенте Вескег'а, содержание которого полностью включен в настоящее описание путем ссылки, что этот угол составляет 30° относительно оси X каротажного прибора. Как было отмечено выше, важно определить глубину или радиальную протяженность трещины. В частности, для неглубоких трещин, образовавшихся в результате бурения, должно быть определено само их наличие.

На фиг. 12А и 12Б показана такая трещина с крыльями 1001а и 1001Ь, расходящимися в стороны от ствола скважины 1003. На фиг. 12 А дана изометрическая проекция, а на фиг. 12Б - проекция на плоскость, ортогональную оси ствола скважины. На фиг. 12Б также изображены связанная с пластом система координат (х-у), оси которой заданы трещиной, а также прибор, имеющий оси Т_х и Т_у, образующие угол θ с осями системы координат (х-у).

В случае, когда трещина, например, показанная на фиг. 12А-12Б, заполнена буровым раствором с высоким сопротивлением, Аибегаои и др. (1996 г.) и \Уапд и др. (2001) отметили, что такая трещина, как правило, вызывает увеличение кажущегося электрического удельного сопротивления, измеренного соосно скважине (в канале ΖΖ). Однако, данный эффект в целом незначителен. В случае применения прибора многокомпонентного индукционного каротажа такая трещина практически не влияет на форму каротажных кривых в канале уу, но может существенно уменьшить кажущееся электрическое удельное сопротивление, измеренное в направлении хх. Трещина же, заполненная проводящим буровым раствором, не оказывает заметного влияния на форму кривых в каналах ζζ и хх и может незначительно уменьшить кажущееся электрическое удельное сопротивление в канале уу.

При помощи алгоритма трехмерного моделирования (\Уапд и Бапд, 2001 г.) была проанализирована чувствительность диаграмм каротажа в направлениях хх, уу и ζζ к параметрам трещины, заполненной буровым раствором на углеводородной основе. Обращение данных диаграмм каротажа сопротивления показывает, что исследуемая область залегания сланцев обладает достаточно постоянным удельным сопротивлением, равным 1 Ом-м. Удельное сопротивление бурового раствора принято равным 1000 Ом-м. Диаметр ствола скважины составляет 12 дюймов (30 см), а отверстие трещины принимается за 1 дюйм (2,5 см). В случае реальной скважины диаметр ствола будет известен по результатам кавернометрии. Для определения просвета трещины может быть использован соответствующий скважинный прибор для формирования изображений, такой как прибор для формирования изображений по данным метода сопротивлений, прибор для формирования акустических изображений и прибор для формирования изображений по данным плотностного каротажа. Подходящие приборы для формирования изображений по данным метода сопротивлений описаны в патентах ИЗ 5502686 (Оогу и др.) или ϋδ 6348796 (Εναηκ и др.), которые принадлежат обладателю прав на настоящее изобретение и содержание которых полностью включено в настоящее описание путем ссылки. В патенте Эогу также описана возможность формирования акустических изображений. В находящейся на рассмотрении патентной заявке ИЗ 09/836980 (Εναηκ и др.), которая принадлежит обладателю прав на настоящее изобретение и содержание которой полностью включено в настоящее описание путем ссылки, описан прибор для формирования изображений по данным метода сопротивлений, подходящий для использования с непроводящими скважинными флюидами. Прибор, подходящий для получения изображений по данным плотностного каротажа, описан в патентной заявке ИЗ 10/004650 (КигкокИ), которая принадлежит обладателю прав на настоящее изобретение и содержание которой полностью включено в настоящее описание путем ссылки.

На фиг. 13 приведены зависимости значений компонент хх, уу и ζζ от длин трещин, находящихся в интервале 0-5 футов (0-1,5 м). Как следует из этих зависимостей, чувствительность результатов измерений к изменению длины трещины различна по все трем осям хх, уу и ζζ. Приведенные кривые получены на частотах 20, 62 и 222 кГц.

Рассмотрим сначала кривую компоненты ζζ. При длине трещины менее 2 футов влияние трещины на значение ζζ почти неощутимо. За этой точкой компонента ζζ уменьшается с увеличением длины трещины. Для трещин длиной до 5 футов изменение значения составляет около 200 мСм/м.

Теперь перейдем к кривым компонент хх и уу. Значение компоненты уу совершенно не зависит от длины трещины. Такой результат является ожидаемым, поскольку наведенный в пласте ток движется параллельно плоскости трещины, и трещина становится прозрачной для индуцированного тока. Наибольший интерес представляет поведение кривой компоненты хх. В отличие от компоненты ζζ, значение компоненты хх увеличивается практически линейно с увеличением длин трещин в пределах первых двух футов. За этой точкой значение хх достигает асимптотического значения. Для всех исследованных частот изменение значений хх составляло примерно 700 мСм/м, что значительно превышает соответствующую величину для компоненты ζζ.

Длина вызванных бурением трещин зависит от давления бурового раствора, прочности горной породы и степени напряжения пласта в естественном залегании. При данных плотности бурового раствора и типе горной породы, чем больше напряжение пласта в естественном залегании, тем больше длина искусственно образованной трещины. Таким образом, длина образовавшейся в результате бурения трещины является источником информации о степени напряжения в пласте. Длина трещин может быть опреде

- 7 007372 лена при помощи приборов многокомпонентного индукционного каротажа благодаря их относительно большой глубине исследования. На практике прибор может произвольно поворачиваться в стволе скважины. Предположим, что х-излучатель повернут под углом θ к оси х, как это показано на фиг. 12Б. Тогда значения компонент в направлениях XX и ΥΥ могут быть рассчитаны на основе данных, приведенных на фиг. 13, следующим образом:

Н_ХХ = Н_хх СО8 θ + Н_уу 81И θ Η_ΥΥ = Н_хх δΐη θ - Н_уу 81И θ где хх и уу означают снимаемые с прибора сигналы при θ = 0 согласно фиг. 12.

В качестве примера рассматривается оценка длины трещины в интервале Х510-560 футов (где разность между значениями компонент XX и ΥΥ наибольшая). Значение угла θ получено на основе данных ХМАС (диаграмма акустического каротажа зондом со скрещенными мультиполями), представленных на фиг. 11, и составляет около 30°. На фиг. 14 наложение значений (Η^-ЩО на данные, полученные численным моделированием. Фактические диаграммы каротажа взяты с глубин в интервале от Х535 до Х550 футов, соответствующих максимальным значениям разности компонент результатов измерений в направлениях XX и ΥΥ. С учетом погрешностей применяемой численной модели можно заключить, что длина трещины составляет порядка 1,5-2 футов. Данная оценка согласуется с тем фактом, что до каротажа не было замечено массивного ухода бурового раствора. Следовательно, здесь нельзя рассчитывать на то, что какая-либо из имеющихся трещин простирается далеко в глубь пласта. Специалисту известно, что для определения параметров трещины необходимо провести два независимых измерения. Наиболее удобно проводить измерения в направлениях XX и ΥΥ, но при осуществлении описанного выше способа также можно проводить измерения в одном из направлений XX или ΥΥ в сочетании с измерением в направлении XV.

Как указано выше, влияние трещин на результаты измерений в направлении ΖΖ сравнительно невелико.

Приведенный выше пример моделирования и интерпретации данных каротажа относится к используемому в стволе скважины буровому раствору с высоким сопротивлением. Описанная выше методика также применима в случае проводящего бурового раствора. На фиг. 15 приведен пример измерений на частотах 56 и 111 кГц. Удельное сопротивление бурового раствора принято за 0,1 Ом-м. Сравнение фиг. 15 с фиг. 13 выявляет несколько важных моментов. Во-первых, при использовании бурового раствора с низким удельным сопротивлением значения компонент ζζ и хх (1101а, 1103а) при любой частоте прибора совершенно не зависят от глубины трещины (или ее радиуса); вместе с тем, значения компоненты уу (1001Ь, 1103Ь) все же изменяются в зависимости от глубины трещины. Во-вторых, разность результатов измерений в направлениях хх и уу значительно меньше при использовании проводящего бурового раствора, чем бурового раствора с высоким сопротивлением. Тем не менее, выявляются значения разности 50 мСм/м, как это видно на фиг. 15.

Устройство для получения данных об электрическом удельном сопротивлении бурового раствора раскрыто в патентной заявке И8 10/142307 (ГаЬп8 и др.), которая принадлежит обладателю прав на настоящее изобретение и содержание которой полностью включено в настоящее описание путем ссылки.

Выше было указано, что для определения толщины трещины можно использовать скважинный прибор для формирования изображений. Такой прибор также может применяться для определения азимута трещины. В идеале, азимут трещины, определенный прибором для формирования изображений, должен совпадать с азимутом, определенным путем акустических измерений прибором со скрещенными диполями. В этом отношении прибор для формирования изображений можно использовать после определения азимута путем акустических измерений как средство проверки результатов измерений на непротиворечивость. Вместе с тем, результаты измерений этими методами все же могут различаться в связи с тем, что формирователь изображений (имиджер) создает изображение стенки ствола скважины, тогда как каротажный прибор со скрещенными диполями исследует формацию на некотором расстоянии (порядка 1 м) в глубине пласта. В другом варианте осуществления изобретения азимут трещины может быть определен при помощи только одного прибора для формирования изображений без использования данных прибора со скрещенными диполями.

Несмотря на то, что изобретение раскрыто на примере предпочтительных вариантов осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники очевидна возможность внесения в него различных изменений. Предполагается, что вышеизложенное описание охватывает любые изменения, подпадающие под прилагаемые патентные притязания.

Claims (14)

1. Способ определения параметра трещины, имеющейся в залегающем под земной поверхностью пласте и содержащей флюид, заключающийся в том, что (а) в скважине, проходящей в исследуемом пласте, посредством прибора акустического каротажа со скрещенными диполями проводят серию акустических измерений, отображающих искомый параметр, (б) обрабатывают результаты акустических измерений с оценкой главного направления анизотропии исследуемого пласта относительно оси ствола скважины,

- 8 007372 (в) посредством прибора электрического каротажа в скважине проводят измерения удельного сопротивления, отображающие искомый параметр, (г) создают модель пласта, включающую в себя главное направление анизотропии, и (д) по результатам измерений удельного сопротивления определяют искомый параметр, исходя из указанной модели пласта.

2. Способ по п.1, в котором при проведении акустических измерений генерируют две дипольные поперечные волны различной поляризации.

3. Способ по п.2, в котором при оценке главного направления анизотропии определяют разность скоростей или времен пробега двух дипольных поперечных волн.

4. Способ по п.1, в котором прибор электрического каротажа представляет собой прибор многокомпонентного индукционного каротажа, а измерения удельного сопротивления проводят в отношении по меньшей мере двух величин, выбранных из группы, включающей (1) Н_хх, (и) Н_уу и (ίπ) Н_ху.

5. Способ по п.1, в котором вышеупомянутая модель также включает в себя (1) удельное сопротивление пласта при отсутствии в нем трещин, (и) удельное сопротивление содержащегося в трещинах флюида, и (ΐΐΐ) углы между осями прибора электрического каротажа и главным направлением анизотропии, определенным на основе вышеупомянутых акустических измерений.

6. Способ по п.1, в котором при определении искомого параметра результаты измерений удельного сопротивления сопоставляют с каротажными данными синтетической модели.

7. Способ по п.5, в котором при определении искомого параметра результаты измерений удельного сопротивления сопоставляют с каротажными данными синтетической модели.

8. Способ по п.7, в котором синтетическую модель создают по меньшей мере на одной частоте.

9. Способ по п.8, в котором синтетическую модель создают на нескольких частотах.

10. Способ по п.5, в котором модель также содержит данные о толщине трещины.

11. Способ по п.1, в котором искомым параметром является радиальная протяженность трещины в исследуемом пласте.

12. Способ по п.10, в котором толщину трещины определяют скважинным прибором для формирования изображений.

13. Способ по п.12, в котором скважинный прибор для формирования сигналов изображения выбирают из группы, включающей (I) прибор для формирования изображений по данным метода сопротивлений, (II) прибор для формирования акустических изображений и (III) прибор для формирования изображений по данным плотностного каротажа.

14. Способ по п.5, в котором удельное сопротивление содержащегося в трещинах флюида измеряют прибором для измерения удельного сопротивления бурового раствора.