Введение к работе
Актуальность темы. Сложность строения нефтегазовых коллекторов порождает большое количество задач, которые могут быть решены с использованием данных высокочастотного электромагнитного каротажа. Модификация последнего - высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ) - за прошедшее пятилетие широко внедрена и эффективно используется во многих производственных организациях Западной Сибири. В настоящее время достаточно полно разработаны методы интерпретации в рамках слоисто-однородных осесимметричных геоэлектрических моделей, существуют удачные алгоритмические решения прямых задач, на основе которых построены быстрые системы численной инверсии. В связи с возрастающими объемами бурения скважин с горизонтальным завершением, данные ВИКИЗ в наклонных интервалах требуют дополнительного теоретического анализа и новой методической проработки.
Эффективность высокочастотного электромагнитного каротажа при исследовании наклонных интервалов приобретает большое значение в связи с развиваемым в последнее время направлением геонавигации при бурении скважин с горизонтальным завершением, в том числе и в связи с разработкой аппаратуры ВИКИЗ для каротажа во время бурения.
Объектом диссертационного исследования является геоэлектрическое строение (удельные электрические сопротивления геологических пластов и положение их границ) терригенных разрезов Среднего Приобья, содержащих нефте- и газонасыщенные коллекторы, по данным высокочастотных электромагнитных зондирований в скважинах с горизонтальным завершением.
Цель исследований - повысить достоверность определения параметров геоэлектрического разреза путем выбора класса геоэлектрических моделей на основе анализа показаний высокочастотного электромагнитного каротажа в скважинах наклонно-направленного бурения.
Для достижения этой цели решалась следующая научная задача: выбрать геоэлектрическую модель, адекватную типичному терригенному разрезу Среднего Приобья, и разработать методику интерпретации диаграмм ВИКИЗ в сложных условиях
(тонкослоистые коллекторы, негоризонтальность напластований, секущие коллектор зоны повышенного сопротивления, некруговое сечение скважины, эксцентриситет зонда).
Фактический материал и методы исследования. Теоретической основой решения поставленной задачи являются прямые задачи для магнитных компонент электромагнитного поля в слоисто-однородных проводящих изотропных и анизотропных средах (с плоскопараллельными или коаксиально-цилиндрическими границами), на основе решения системы уравнений Максвелла в квазистационарном приближении. Теоретическим материалом являются синтетические сигналы ВИКИЗ и функции чувствительности к геоэлектрическим параметрам, рассчитанные по перечисленным ниже верифицированным программам решения прямых задач. Выводы автора основаны на анализе диаграмм профилирования и функций чувствительности для не менее 100 разных сочетаний значений модельных параметров. Экспериментальный материал представлен диаграммами, которые были зарегистрированы опытными операторами треста "Сургутнефтегеофизика" разными приборами ВИКИЗ в эксплуатационных скважинах с горизонтальным завершением. Ошибки измерения оцениваются производителями аппаратуры не более 3-5 %. Автором проанализировано более 30 практических диаграмм (средняя длина наклонно-горизонтального интервала в каждой из них составляет 1.5 км, а число пересекаемых геоэлектрических границ - около 20). Практические и расчетные данные получены при наклонном пересечении зондами напластований, характерном для входа скважины в нефтегазовый коллектор и для так называемого "горизонтального" участка, на котором наклон изменяется в пределах 3 относительно горизонта.
При исследовании применялись созданные в лаборатории электромагнитных полей ИГФ СО РАН программы решения прямых задач: для наклонного магнитного диполя в двух- и трехслойной среде с изотропными проводящими пластами (Эпов М.И., Никитенко М.Н.); для магнитного диполя в соосной ему скважине слабоэллиптического сечения в однородном пласте (Черяука А.Б.); для магнитного диполя, смещенного с оси скважины (Кривопуцкий B.C.); для наклонного магнитного диполя в двух- и трехслойной электрически анизотропной среде (Эпов
М.И., Никитенко М.Н.); для наклонного магнитного диполя в многослойной горизонтально-слоистой среде (Могилатов B.C.), для магнитного диполя в трехмерной модели (Мартаков СВ., Эпов М.И.). Определение геоэлектрических параметров по кривым зондирования производилось с помощью компьютерной системы интерпретации в цилиндрически-слоистых средах МФС ЭРА-ВИКИЗ (Эпов М.И., Ельцов И.Н., Соболев А.Ю.).
Работа основана на сравнительном анализе данных математического моделирования в разных геоэлектрических моделях и при разных значениях параметров и проверке полученных выводов и разработанных методик на экспериментальных данных ВИКИЗ, полученных в скважинах Федоровского месторождения Сургутского района. Степень достоверности результатов проведенных исследований определяется высоким качеством программного обеспечения и точностью практических измерений, гарантируемой производителем аппаратуры ВИКИЗ (фирма "Луч", Новосибирск).
Защищаемые положения и научные результаты В типичных терригенных разрезах Среднего Приобья в наклонно-направленных скважинах данные ВИКИЗ:
с достаточной для практики точностью интерпретируются в рамках горизонтально-слоистой модели;
отличаются от данных в вертикальных скважинах дополнительными экстремумами в области геоэлектрических границ, которые обусловлены взаимовлиянием полей вихревых токов и зарядов на границах;
слабо искажаются в неизометричных по сечению скважинах и при смещении зонда с оси и могут быть использованы в интерпретации после введения соответствующих поправок;
сильно зависят от интерпретационных параметров, что определяет высокую достоверность оценки их значений;
содержат информацию об углах между скважиной и геоэлектрическими границами, достаточную для определения с практической точностью углов встречи скважины со слабонаклонными напластованиями и субвертикальными зонами повышенного сопротивления.
При наклонном пересечении типичных тонкослоистых терригенных коллекторов данные ВИКИЗ:
- обеспечивают определение удельных электрических сопро
тивлений и мощностей прослоев на основе соответствия показа
ний коротких зондов тонкослоистой, а длинных - макроанизо-
тропной моделям, и уравнений связи параметров, характери
зующих эквивалентные анизотропную и тонкослоистую среды;
-при больших расстояниях между генераторной и приемными катушками соответствуют сигналам в анизотропном пласте; при автоматической интерпретации диаграммы длинного зонда с практической точностью оцениваются параметры макроанизотропии;
- при малых расстояниях - соответствуют сигналам в тонкос
лоистой среде; с помощью спектрального анализа высокочастот
ных составляющих диаграмм коротких зондов оценивается пери
од переслаивания прослоев.
Новизна работы и личный вклад
І. С использованием данных математического моделирования обоснован выбор горизонтально-слоистой геоэлектрической модели типичного терригенного разреза Среднего Приобья при исследованиях методом ВИКИЗ в наклонных интервалах скважин с горизонтальным завершением.
При типичных значениях удельных электрических сопротивлений пород и бурового раствора в рамках этой модели могут интерпретироваться диаграммы всех зондов, а в проницаемых коллекторах - только длинных. При пересечении горизонтальных напластований (в отличие от вертикальных скважин) на синтетических диаграммах кажущегося сопротивления возникают дополнительные экстремумы в области геоэлектрических границ. Их амплитуда возрастает с увеличением электрического контраста границ и с приближением траектории скважины к горизонтальной. При интерпретации по этим экстремумам могут быть выделены ложные прослои повышенного и пониженного сопротивлений с близкими к реальным значениями мощностей. Трехмерным математическим моделированием (наклонное пересечение пласта скважиной с типичными радиусом и сопротивлением бурового раствора) показано, что влияние скважины приводит к сглаживанию экстремумов на диаграммах короткого зонда, но практически не изменяет показаний длинных зондов, для которых влиянием прискважинной зоны можно пренебречь.
Сделана оценка вертикального разрешения наклонного зонда для типичных значений сопротивлений и показано, что при мощности пласта, в полтора раза превышающей длину зонда, трехслойная модель может рассматриваться как сочетание двух двухслойных, независимо влияющих на сигнал.
По численным оценкам влияния на сигнал неизометричности сечения скважины, обусловленной возникновением при наклонном бурении желобообразного углубления на нижней стенке, установлено, что показания зондов в пределах практической точности совпадают в скважинах слабоэллиптического (отношение полуосей не более 1.15) и кругового сечений одинаковой площади. В типичных условиях влияние максимально возможного смещения с оси скважины на показания короткого (длина 0.5 м) зонда не превышает 5 %, а для трех длинных зондов - менее 1 %.
Сделан расчет и выполнен анализ чувствительности измеряемых характеристик для наклонного магнитного диполя к параметрам моделей с одной и двумя плоскими границами среде (без учета скважины). Показано, что существует сильная зависимость показаний от интерпретационных параметров, что определяет высокую достоверность оценки их значений по диаграммам ВИКИЗ. Точность оценки повышается при использовании в инверсии показаний зондов разной длины. Разработаны практические рекомендации по выбору интервалов скважины, на которых измеряемые характеристики магнитного поля содержат наибольшую информацию о параметрах модели.
2. Разработана оригинальная методика определения параметров прослоев и оценке эффективной мощности тонкослоистого коллектора по данным ВИКИЗ на наклонных интервалах, основанная на соответствии сигналов коротких зондов тонкослоистой, а длинных - макроанизотропной моделям.
По численным оценкам для типичных тонкослоистых коллекторов доказано, что для длинного зонда соблюдаются принципы эквивалентности измеряемых характеристик магнитных полей в тонкослоистой и анизотропной моделях, а для коротких зондов коллектор является тонкослоистой средой. Период переслаивания прослоев разного сопротивления оценивается с помощью спектрального анализа высокочастотных составляющих диаграмм
коротких зондов. Предложено определять сопротивления в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении эквивалентного тонкослоистому анизотропного пласта в процессе интерпретации практической диаграммы длинного зонда и пересчитывать в относительные сопротивления и мощности прослоев по формулам, связывающим группы параметров, характеризующие эквивалентные анизотропную и тонкослоистую среды. Для типичного песчано-глинистого переслаивания и оцененного по пространственным спектрам периода чередования определяются мощности и сопротивления пропластков и производится оценка мощности нефтенасыщенной части тонкослоистого коллектора.
3. Разработана и обоснована методика определения по данным ВИКИЗ в наклонных интервалах угла встречи скважины с геоэлектрическими границами.
На данных математического моделирования доказано, что небольшое отклонение значения угла встречи субгоризонтальной скважины с границей сильно влияет на регистрируемые характеристики. Рассчитаны и проанализированы функции чувствительности сигналов к зенитному углу встречи в модели с одной и двумя плоскими границами. Установлено, что в типичных геоэлектрических ситуациях угол встречи определяется по данным ВИКИЗ, а точность его оценки зависит от местоположения и наклона зондов и возрастает с контрастностью границы. По фрагментам практических диаграмм оценены углы встречи субгоризонтальной скважины с наклонными напластованиями и с субвертикальной зоной повышенного сопротивления, определена погрешность их оценки.
Теоретическое и практическое применение полученных результатов и выводов заключается в обосновании выбора наиболее простых геоэлектрических моделей, сигнал в которых удовлетворительно (в пределах погрешности измерения) совпадает с практическими диаграммами ВИКИЗ, и в то же время адекватных сложности типичного терригенного разреза Среднего Приобья. Показано, что в большинстве случаев для интерпретации сигналов достаточно горизонтально-слоистой модели без учета скважины и зоны проникновения, а влияние неизометрич-ности сечения скважины и смещения зонда с ее оси может быть учтено введением поправок в показания коротких зондов. Это
позволяет при практической компьютерной интерпретации использовать относительно простое и быстрое программное обеспечение: время расчета сигнала зонда в одной точке в трехмерной модели (пересечение пласта наклонной скважиной) конечно-разностным методом занимает от 1.5 до 2 часов на персональных компьютерах типа Pentium-200, а в горизонтально-слоистой модели - доли секунды.
Практически важной является методика определения параметров прослоев тонкослоистого коллектора, позволяющая оценить его эффективную мощность и характер флюидонасыщения.
Возможность определения угла между скважиной и границами будет являться основой для проведения геонавигации при бурении скважин с горизонтальным завершением при эксплуатации разрабатываемой сейчас аппаратурной модификации ВИКИЗ для каротажа во время бурения.
Полученные результаты используются и послужили основой итоговых отчетов по хозяйственным договорам с объединением "Сургутнефтегаз" (№45(2)-95 от 27.09.1995 "Разработка базовой версии системы компьютерной интерпретации данных ВИКИЗ, полученных в скважинах горизонтального бурения" и №2-97 от
27.11.1996 "Разработка и создание программной системы визуа
лизации, обработки и интерпретации каротажных диаграмм
ВИКИЗ в скважинах наклонно-горизонтального бурения"), с
объединением "Нижневартовскнефтегеофизика" (№ 165 от
22.07.1997 "Разработка программно-математического обеспечения
для интерпретации данных ВИКИЗ", совместно с фирмой
"Луч"), с Министерством топлива и энергетики РФ (этап
"Разработка и опробование программно-методического обеспече
ния интерпретации данных ВИКИЗ" договора № 49-98
"Разработка и внедрение современных технологий электромаг
нитных исследований в нефтегазовых скважинах", в рамках
межотраслевой научно-технической программы Минтопэнерго
России на 1998 год "Научное обоснование направлений геолого
разведочных работ на нефть и газ, создание на базе компьютер
ных технологий новых геолого-геофизических методов разведки
и контроля за разработкой месторождений").
Разработаны, переданы в трест "Сургутнефтегеофизика" и объединение "Нижневартовскнефтегеофизика" и используются
при проведении практической интерпретации диаграмм в наклонно-горизонтальных интервалах эксплуатационных скважин: методические рекомендации по оценке вертикального разрешения горизонтальной границы наклонными зондами, по выбору наиболее информативных интервалов диаграмм, методики определения параметров прослоев тонкослоистого коллектора и угла встречи скважины с границами напластований и зон повышенного сопротивления. Созданные алгоритмы и программные модули (расчета чувствительности показаний к значению зенитного угла, оценки погрешности определения угла, внесения в сигналы коротких зондов поправок влияния эксцентриситета, оценки относительной суммарной мощности прослоев тонкослоистого коллектора) включены в систему компьютерной интерпретации данных ВИКИЗ в скважинах с горизонтальным завершением, разрабатываемую по договору с Минтопэнерго РФ.
Апробация работы и публикации. Основные результаты известны научной общественности: были сделаны доклады на 13Л Workshop on 'ЕМ Induction in the Earth' (Onuma, Japan, 1996); на семинаре-совещании "Пути повышения эффективности геологической интерпретации геофизических исследований скважин при разведке, эксплуатации и подсчете запасов месторождений нефти и газа Западной Сибири"(Минтопэнерго РФ — Министерство природных ресурсов—РАО "Газпром" —ЕАГО, Тюмень, 1997); на международной геофизической конференции и выставке Москва—97 (SEG, EAGE, ЕАГО); на международной конференции и выставке по геофизическим исследованиям скважин Москва—98 (SPWLA, ЕАГО); на научно-практической конференции "Состояние и пути развития высокочастотного электромагнитного каротажа" (Новосибирск, 1998). По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН. Исследования проводились в соответствии с планом НИР по приоритетному направлению "4.1.5. Проблемы нефти и газа" в рамках темы "Взаимодействие с горными породами и распространение электромагнитного поля в геологической среде" (№ гос. регистрации 01980003021).
Автор благодарен М.И. Эпову за профессиональное научное руководство и сотруднику фирмы "Backer Atlas" (США) Л.А.
Табаровскому за то, что его лекции по электродинамике во многом определили область научных интересов автора.
При обсуждении и решении разных вопросов большую помощь оказали Е.Ю. Антонов, Ю.Н. Антонов, И.Н. Ельцов, А.К. Манштейн, СВ. Мартаков, B.C. Могилатов, Г.М. Морозова, М.Н. Никитенко, А.Б. Черяука, В.Н. Ульянов и АЛО. Соболев.
Автор признателен тресту "Сургутнефтегеофизика" за предоставленный практический материал.
Объем и структура работы. Диссертация содержит 160 страниц, 27 рисунков и 7 таблиц. Библиография содержит 96 наименований.