专利名称：套管井电测井方法
技术领域：
本发明涉及对井的地球物理检查，并可用于确定在套于金属柱
(metal string)内的井周围的岩床(formation bed )的电阻率。
背景技术：
与本发明在技术思想上最接近的现有技术方法是一种对套管井 进行电测井的方法，包括施加电流，使用以三个等距测量电极以及至 少两个电流电极形式制成的多电极探头(sonde)来测量电场电势， 其中所述至少两个电流电极远离测量电极区域且相对于中央测量电 极对称放置(参见优先权日为2001年2月20日
公开日为2001年 12月10日的俄罗斯专利2，176，802， IPC G01V3/20 )。向每个电流电 极交替供给来自相同源极的电流。每次施加电流时，测量中央测量电 极和柱之间的接触点处的电场电势；测量在两个外部测量电极之间的 柱长度两端的第一电势差，以及在相同柱长度两端的第二电势差。将 从恰当公式算出的柱周围岩床的比电阻率(specific electrical resistivity)用作对套管井进行电测井的参数。现有技术的方法适于通 过消除套管柱(casing string)的电阻率对测量结果的影响来测量套 管井周围岩床的比电阻率。
另一方面，套管柱是由联结扣环(coupling collar)接合的各独 立管组成的。而各扣环的电阻率则可取决于材料属性、使用寿命和侵 蚀深度而变化。
最接近的现有技术方法的缺点在于当在各探头电极之间的间隔 内存在线性电阻率与套管柱的电阻率不相同的联结扣环时，柱周围的 岩床的电阻率测量结果会有明显失真。
发明内容
本发明的任务在于开发一种通过消除其线性电阻率与套管柱的 电阻率不相同的套管柱的联结扣环对测量结果的影响来实现改善测
量结果精确性和可靠性的方法。
由此，本发明的任务通过这样一种套管井电测井方法实现，该方
法包括使用以放置在至少三个测量电极相对侧的两个电流电极形式 设计的探头；交替施加电流；在每次电流施加时，由测量装置测量施 加的电流、中央测量电极两端的电势、以及外部测量电极和中央测量 电极之间的电势差；使用柱周围岩床的比电阻作为套管井电测井参 数；根据井周围岩床的各层以及带有套管柱扣环的套管柱各段的电阻 模型构成测量电路，测量电极被隔开而无须考虑等距要求，电流电极 适于用作测量电极，而且额外的测量装置用于测量在这一连接上未施 加电流的电流电极与测量电极之间的电场电势，比电阻率从以下公式 得出
=尺.「_^_]x
^床 一 探头LM (C/63 + △仍13) + /65' (t/o3 + At/a53 )」X
「fe .扁23 - W3 . A^ 23)如3 AW" - 763 . A""")]，
1 (A"a43. AC/623 - △ .A"O —
其中，p床是比电阻率，
K探头是探头的几何系数，m;
Iat和Ib5分别是在第一连接上施加至上部电流电极的电流以及 在第二连接上施加至下部电流电极的电流，A;
Ua3和Ub3分别是在第 一连接和第二连接上的中央测量电极两端 相对于地的电场电势，V;
AUa23、 AUa43、 AUb23和AUb43分别是在第一连接和第二连接上 的上部测量电极和中央测量电极之间、以及下部测量电极和中央测量 电极之间的电场电势差，V;以及
AUa53和AUb13分别是在此第一连接上未施加电流的下部电流电 极和中央测量电极之间、以及在此第二连接上未施加电流的上部电流 电极和中央测量电极之间的电场电势差，V。所要求保护的方法的技术效果包括通过顾及各柱管和联结扣环 的可变电阻，经由钢制柱高精度地确定岩床的比电阻率。
另外，本方法在无需满足测量电极的等距要求的情况下仍可执 行，这有助于显著简化使用的设备和方法本身。因为不存在等距或结 构对称的要求，因此使用具有六个或更多电极的探头设计变为可能。
图1示出了例示所要求保护的方法的框图，其中；l是上部电流 电极；2是上部测量电极；3是中央测量电极；4是下部测量电极；5 是下部电流电极；6是测量探头；7是金属套管柱；8是套管柱的扣环； 9是待测量的井；IO是井周围的岩床；11和12是用于测量电流强度 的测量装置；13和14是用于相继施加电流的电子开关；15、 16、 17、 18和19是用于测量电势差的测量装置；20是交流发电机；21和22 是独立连接线；以及23是远程接地电极。
图2示出了流出井轴的电流流路，其中9是待测量的井；20是 交流发电机；21是独立连接线；23是远程接地电极；24是远程接地 井；25、 26、 27、 28和29是井周围岩床的各层；30、 31、 32、 33和 34是探头电极区；以及35是岩床中的电流流动方向。
图3示出了井周围岩床的各层和套管柱各段的电阻模型的等效 电阻电路。
图4示出了对环境1中的模型使用所要求保护的方法的建模曲线。
图5示出了对环境2中的模型使用现有技术方法的建模曲线，其 中1、 2、 3和4是扣环的比电阻相对于套管柱的比电阻之比分别等于 1、 10、 100和1000的建才莫曲线。
图6示出了对环境3中的模型使用现有技术方法的建模曲线，其 中1、 2、 3和4是扣环的比电阻相对于套管柱的比电阻之比分别等于 1、 10、 100和1000的建模曲线。
图7示出了对环境2中的模型根据公式(4)使用所要求保护的方
5法的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻相对于套管柱的比 电阻之比分别等于l、 10、 100和1000的建模曲线。
图8示出了对环境3中的模型根据公式(4)使用所要求保护的方 法的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻率相对于套管柱的 比电阻率之比分别等于l、 10、 100和1000的建模曲线。
具体实施例方式
所要求保护的方法如下执行
图1中的框图示出了测量探头6的上部电流电极1、上部测量电 极2、中央测量电极3、以及下部测量电极4、下部电流电极5，所有 这些电极都贴在带有扣环8的金属套管柱7的内表面上。井9周围是 岩床10。
测量探头6包括用于测量电流强度的测量装置ll和12、用于分 别向电才及1和5连续施加电流的电子开关13和14、以及用于测量电 势差的测量装置15、 16、 17、 18和19。
交流发电机20位于地表并由连接线21连接至测量探头。中央测 量电极3的电势由测量装置17通过相对于位于地表上的远程接地电 极23的独立连接线22来测量。
下文将描述其中套管柱的电阻率不是常数的套管井测井原理。此 外，电阻率的值很大程度上取决于测量段内是否有任何套管柱扣环出 现。
测量如下进行对各探头电极施加机械力以使其离开套管柱内表 面，并通过测井电缆(logging cable)(未在图1中示出)将探头沿 着轴z朝井轴方向移动一期望距离。随后探头停止移动，并让各电极 机械地贴在套管柱内表面。在此情况下，套管柱扣环可能会恰巧位于 探头电极之间，当然也可能不位于探头电极之间。在第一电流施加时， 电子开关13闭合，而电子开关14保持断开，于是电流就从发电机20 沿着连接线21施加至上部电极1。随后用测量装置11测量电场强度， 并由测量装置16、 17、 18和19测量电势差。在第二电流施加时，电子开关13断开，而电子开关14闭合，于是电流就从发电机20沿着 连接线21施加至下部电流电极5。由测量装置12测量电场强度，并 由测量装置15、 16、 17和18测量电势差。随后重复该测量循环。
将在两个相续电流施加中由测量装置11和12获得的电流强度测 量结果以及由测量装置15、 16、 17、 18和19测得的电势差结果传送 给计算机以供处理。至计算机的连接线和计算机本身未在图1中示出。 从公式算出比电阻率p床。通过沿着轴z相继移动测量探头构造深度z 处比电阻率p床的曲线。用于测量轴z的装置未在该框图中示出。
被相继测量的井穿过各地质岩床，各岩床的比电阻率将由所要求 保护的方法研究。尽管各岩床的确切结构无法预先知晓，但是在第一 近似中，井轴在与地质床方向呈直角的方向上延伸。
因为待测量的井的套管柱的电阻率明显小于井周围各岩床的电 阻率，所以电流在井附近与井轴呈直角的方向上被引导，使得井本身 及其套管柱关于电流方向具有聚焦性质。
从直径为D的套管柱到距井的距离为S的点的岩床圆柱层，其 比电阻率是p床，则在假设各岩床一致(uniformity)的情况下，则垂 直井段H的总电阻率R床为
对于0.15至0.2 m的典型套管柱直径以及待测量的井和远程接地 井之间的距离在50至500 m范围内的情况，该圆柱层总电阻率的一 半是在距套管柱2m至6m的段上生成的，也就是说，井附近的岩床 的各层对总电阻率做出了主要贡献，而远处的各层则实际上对总电阻 率没有影响。
图2示出了在连接了交流发电机20的情况下，从井轴通过接地 电极23和连接线21在待测量的井9和远程接地井24之间流动的电 流。
电流流过的各层25、 26、 27、 28和29的空间边界等同于从探头 电极30、 31、 32、 33和34的想象边界得到的力的电场线。从测量井 9沿着力的电场线流动的电流由箭头35象征性地示出。因为电流方向和地质岩床的各层在第一近似中垂直于井轴，使得 电流流经的各层与井附近的各地质岩层相重合，即在产生总电阻率中 大部分的区域内。在离开井轴的大部分地方，电流流动层和实际的岩 床的各地质层并不重合，但鉴于它们对总电阻率的贡献不大，因此可 以不考虑此缺少 一致性的状况。
因为电流流动边界与电场线相重合，所以没有电流流动跨过各层 边界。可以将各层看作是独立的电阻，这样就能方便地对井周围岩床 的各层以及套管柱各段的电阻模型进行变形，将井周围岩床的各层的 电阻模型以等效电阻电路的形式表示，并在该电阻电路的基础上形成 测量电路。
图3示出了井周围岩床的各层和套管柱各段的电阻模型的等效 电阻电路。为了便于公式书写，所有的电阻都表示为电导率。电导率
CT12、 CJ23、 C734和C745分别对应于测量探头电极1和2、 2和3、 3和4、
以及4和5之间的、带有偶尔会出现的扣环的套管柱各段的电导率。
电导率CJ2、 CJ3和CT4分别对应于得自电极2、 3和4的井周围岩床
的各层的电导率。
此外，电导率C73对应于得自中央测量电极3的井周围岩层的电导
率，并且电导率CT3与以下公式描述的电胆率相关
其中，p床是比电阻率，
K録是探头的几何系数，m;以及
CT3是得自中央测量电极3的层的电导率，Q-1。
探头的几何系数K録取决于套管柱各管的直径、套管柱各管的 总长度、探头的电流电极和测量电极之间的间隔，并且可以针对每个 探头的具体设计经验性地找出探头的几何系数K探头。K探头的近似公式 为
《探头》 .厶&4 ，
其中，Ah24是测量探头电极2和4之间的距离，m。 电导率^对应于得自电极i并且经过套管柱的顶部的层的电导
8率。电导率ys对应于得自电极5并且经过套管柱的底部的层的电导率。 电极l、 2、 3、 4和5两端的电压分别被指定为仏、U2、 U3、 U4 和U5。电子开关Ka和Kb能够实现对电才及1和5的相继电流施加。 第 一施加被指定为施加"a，，，而第二施加被指定为施加"b"。
根据对应于井周围岩床的电阻模型的等效电阻电路来创建测量 电路。在第一电流施加至电流电极1以及在第二电流施加至电流电极 5时，电流计Iai和Ibs分别与电子开关串联连接。各电势间的差U3、 AU13、 AU23、 AU43和AU53的测量计在第一和第二电流施加时分别连 接在电极3和地之间、电极1和3之间、电极2和3之间、电极4和 3之间以及电才及5和3之间。
测量计AUu和^1153分别用于测量此第一连接上未供给电流时的 上部电流电极1和中央测量电极3之间的电场电势差，以及此第二连 接上未供给电流时的下部电流电极5和中央测量电极3之间的电场电 势差。电流电极适于用作测量电极；例如在其中沿着一个导体向电流 电极施加电流且待测量的电压从该电流电极沿着屏蔽了感应电流的 另一个导体施加到电压计的测量电路中。
所要求保护的方法的优点在于当探头电极之间的区间内出现套
管柱的扣环时，会将其电阻按电导(712、 C723、 CJ34和a4s的形式计算为套
管段电阻与扣环电阻之和。这一 方法允许在测量比电阻率的过程中完 全消除扣环电阻对测量结果的影响。
一种节点电势方法用于为第一连接上的五个节点写出五个等式， 以及为第二连接上的五个节点写出五个等式。
Ua,crt + (Ua,-
Ua2 & + (Ua2-Ua1)'cr12+(Uaz--Ua3)'cr23=0
Ua3'cr3 + (Uaj-Ua3).cr23 +(Ua3 --UaJ'o^=0
Ua4.tr4 +(Ua4_Ua3).<734 + (Ua4=0
Uas.cr5 H" (Uas—Ua4).cr45 = 0
Ub,cr,+(Ub,--Ubj)'cr，2 =0
Ub2.<r2 +(Ub2-Ub,)'^+(Ub2-Ub3)-<7 =0
Ub3'cr3 + (Ub3-Ub2)-cra+(Ub3=0
Ub4-Ub3).<TM+(Ub4=0
Ub5■cr5+(Ub5一UbJ'cr" =Ib5
a)
9考虑到所有电压都是已知的，因此结果是10个等式和9个未知 数yi至y9,即等式组是冗余的。为了化简等式组，相对于中央测量电 极3测量全部电压差。通过连续地一次消去一个等式并且考虑
△/7a23 : C/a2 - C/a3
織13 = — 扁23 =C/62—
織53 =OZ)5—C/63
p床
a:
探头
这就找出关于p床的所有可能解。为含九个等式的公式组中的10 个变量找出4个精确的解。
它们四个解如下给出
l _
-A〃"
(2)
探头
/a如3 +A"6U)-
(W3. AL^23 -"63. A^ 23)如3.扁43 -L/Z 3 At/a43)-(△"a43. AL/&23 - At/fl23 扁43)
探头
(3)
/65. (C/"3 +厶 )
.扁23 _ A^ 23)如3. A/7643 _ (763. A""")-(AC/a43.扁23 _厶/7"23.扁43) .
因为AUas3和AUlh3是电场电势差(分别是在第一连接上未供给 电流的下部电流电极5和中央测量电极3之间，以及在第二连接上未 供给电流的上部电流电极1和中央测量电极3之间)，所以需要对电 流电极两端进行额外测量。
随后的计算公式通过对两个解求平均获得床一 探头LM'(f^3 + At^13)+/65.([/a3+Af/a53)J (" 「(W3 AW23 _^ 織23)' (C/a3 A"643 _ .織43)，
其中P床是比电阻率，
K縣是探头的几何系数，m;
lai和Ibs分别是在第 一连接上施加给上部电流电极1的电流和在 第二连接上施加给下部电流电极5的电流，A;
Ua3和Ub3分别是在第一连接和第二连接上的中央电极3两端相 对于地的电场电势，V;
AUa23、 AUa43、 AUb23和AUb43分别是在第一连接和第二连接上 的上部测量电极2和中央测量电极3之间、以及下部测量电极4和中 央测量电极3之间的电场电势差，V;以及
AUa53和AUb13分别是在第一连接上未供给电流的下部电流电极 5和中央测量电极3之间，以及在第二连接上未供给电流时的上部电 流电极1和中央测量电极3之间的电场电势差，V。
在此，鉴于对其复杂性、缺乏任何额外优势以及会导致更高测量 总误差的考虑，而不对余下的两个解进^f亍处理。
根据井周围岩床各层的电阻模型建立的测量电路允许将偶尔出 现在各测量电极之间或者在测量电极和电流电极之间套管柱测量段 内的扣环对套管柱各段的影响考虑在内。可替换地用作测量电极的额 外测量装置和电流电极使得在测量岩床比电阻率的过程中可以使用 乂>式(4)的等式组的任何精确解析解。
用于根据公式(4)测量岩床的比电阻率的电阻模型不要求各电极 以等距间隔，也不需要各电极被设置成相对于中央电极对称，这是因 为公式(4)是两个精确解的算术平均表达式，并且也不取决于电导cju、
<J23、 <734和<745。
因为对测量电极的等距排列没有要求，所以就明显简化了使用的 设备和方法本身。
因为不要求各电极之间的等距排列，也不要求对称设置，所以可以使用具有六个或更多电极的探头设计。
假设有两个连接用于向外部电流电极施加电流，那么在又增加了
两个未知数的情况下向等式组再添加两个等式，使得公式(4)对任何数量的电极都是有效的。相比于五电极探头，电极数量的增加给出了更高的测井精确性，更具体地，六电极探头使得测井速度加倍；七电极探头使得测井速度乘三，同时其探针长度则分别延长0.5 m和1.0 m。
图4至图8示出了由所要求保护的方法和由现有技术的方法为三个数学介质模型计算p床。
测量环境的直径为250 m，深度为227 m，柱长207 m，岩床群位于100m深处。柱的内直径为0.075 m,外直径为0.083 m。柱的比电阻率为2.5.1(T7Q.m。测量探头的电极l和5与中央电极3间隔2.2 m,而电极2和4与中央电极3间隔0.5 m。
第 一介质模型由以下岩床群组成
-具有电阻率为5Q.m且深度从负无穷大延伸到2m的第一层；-具有电阻率为10Q.m且深度从2 m延伸到3 m的第二岩床；-具有电阻率为5Q.m且深度从3m延伸到5m的第三岩床；-具有电阻率为100Q.m且深度从5 m延伸到8m的第四岩床；-具有电阻率为lQ.m且深度从8 m延伸到10 m的第五岩床；
以及
-具有电阻率为10Q.m且深度从10m延伸到正无穷大的第六岩床。
所有这些岩床都被电阻率均匀的柱穿过。
第二介质模型由三个岩床构成。其中两个是电阻率为lQ.m的封闭岩床，而夹在这两个岩床之间的第三岩床的厚度为lm且比电阻率为10Q.m。这些岩床都被电阻率不均匀的柱穿过。在-1.3m和-1.0m之间的区间容纳 一 简化的柱扣环模型，该扣环的比电阻率与柱的比电阻率相比可以按10、 100或1000的倍数增加。
第三介质模型与第二模型的不同之处在于该简化的柱扣环模型在誦0.1至0.2 m的范围内延伸。图4示出了由所要求保护的方法在介质模型1上执行的建模结
果。示出了比电阻率相对z之比的仿真曲线精确表示了岩床的实际比电阻率，且该比电阻率的测量误差在10%范围内，岩床边界标识的精确度不劣于士0.3 m。
图5示出了通过现有技术的方法[1获取的对介质模型2的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比分别等于l、 10、 100和1000的建才莫曲线。
图6示出了通过现有技术的方法[1获取的对介质模型3的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比分别等于l、 10、 100和1000的建模曲线。
图7示出了由所要求保护的方法使用公式[4]获取的对介质模型2的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比分别等于l、 10、 100和1000的建才莫曲线。
图8示出了由所要求保护的方法使用公式[4]获取的对介质模型3的建模曲线，其中1、 2、 3和4是扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比分别等于l、 10、 100和1000的建才莫曲线。
在图5和图7以及图6和图8之间的比较分别示出了当套管柱扣
环的比电阻率与套管柱的比电阻率没有不同的时候，在现有技术的方法和所要求保护的方法中得出的岩床比电阻率的建模曲线产生了实
质上等同的结果。
在扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比等于10、 100和1000的情况下，算出的各岩床的比电阻率产生相对于各岩床的真实比电阻率的误差。此外，根据现有技术的方法做出的计算对于lQ.m的比电阻率分别产生200% 、 2400%和20000%的误差，而对于lOQ-m的比电阻率分别产生150% 、 1900%和17000%的误差。在此情况下，0.3 m长的简化的柱扣环模型中扣环的影响就被观察为探头移动了 1.5m的距离，即扣环的完整长度穿过探头的中央电极。仅在中央电极与扣环模型的中央对齐的时候产生可接受的250%的误差，这在图5和图6中清楚地示出。在扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比等于10、 100和1000时由所要求保护的方法使用公式(4)做出计算的情况下，它们对于lQ.m的比电阻率分别产生卯％、 150%和200%的误差，而对于10Q.m的比电阻率分别产生50 % 、 170 %和150 %的误差。在此情况下，0.3 m长的简化的柱扣环模型中扣环的影响就被观察为探头移动了等于扣环长度的长度。当中央电极与扣环模型的中央对齐的时候，误差分别等于80%、 120%和30%，这在图7和图8中清楚地示出。
因此，在扣环的比电阻率相对于套管柱的比电阻率之比等于10、100和1000的情况下，所要求保护的方法中的测量误差对于lQ.m的比电阻率分别是原来的2.2分之一、16分之一和100分之一，而对于10 Q. m的比电阻率则分别是原来的3分之一 、11分之一和113分之一。
相比于现有技术的方法，所要求保护的方法通过考虑套管柱的柱管和扣环的可变电阻率的影响而实现了更高的测量精确性和可靠性。
所要求保护的方法提供了以下优点
电测井方法对造井期间确定储层(reservoir)的生产区间甚为关
比电阻率的测量，必定产生显著的经济效益。将所要求保护的方法与现有的放射性和声学测井法相结合来检查套有钢制柱的油井，从而有助于明显提高在任何实际地质条件下确定油井工作的储油床(reservoir bed )生产区间中的水油边界位置的可靠性，而这又能够实现对油田更有效的利用。此外，这还将能够在考虑质'量的情况下确定在造井期间尚未由标准电测井方法检查的储油床饱和度。
1权利要求
1. 一种套管井电测井方法，包括使用以放置在至少三个测量电极相对侧的两个电流电极形式的探头；交替施加电流；在每次电流施加期间，使用测量装置测量施加的电流、中央测量电极两端的电势，以及两个外部电极和中央测量电极之间的电势差；使用井周围岩床的比电阻率作为套管井电测井参数，其中使用由具有不要求相等距离间隔的测量电极的探头做出；额外的测量装置被用于测量在连接上未施加电流的电流电极与中央测量电极之间的电场电势差，并且比电阻率从以下公式得出其中，ρ床是比电阻率，Ω·m；K探头是探头的几何系数，m；Ia1和Ib5分别是在第一连接上施加至上部电流电极的电流以及在第二连接上施加至下部电流电极的电流，A；Ua3和Ub3分别是在第一连接和第二连接上的中央测量电极两端相对于地的电场电势，V；ΔUa23、ΔUa43、ΔUb23和ΔUb43分别是在第一连接和第二连接上的上部测量电极和中央测量电极之间、以及下部测量电极和中央测量电极之间的电场电势差，V；以及ΔUa53和ΔUb13分别是在此第一连接上未施加电流的下部电流电极和中央测量电极之间、以及在此第二连接上未施加电流的上部电流电极和中央测量电极之间的电场电势差，V。
全文摘要
本发明涉及井的地球物理检查并可用于确定在套于金属柱内的井周围的岩床的电阻率。包括使用具有以放置在至少三个测量电极相对侧的两个电流电极形式的探头；交替施加电流；在每次电流施加期间，用测量装置测量施加的电流、中央测量电极上的电势、及外部测量电极和中央测量电极之间的电势差；使用柱周围岩床的比电阻率作为套管井电测井参数；根据井周围岩床各层和带有扣环的套管井各段的电阻率模型构成测量电路，其中应用的探头的测量电极无需等距间隔但其电流电极被具体化为能够以测量电极的形式来使用。还包括在现有开关状态下借助额外的测量装置测量未施加电流的电流电极和中央测量电极之间的电场电势差并根据公式确定比电阻率。
文档编号E21B47/10GK101460871SQ200680054843
公开日2009年6月17日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年4月18日
发明者V·I·宇克林, V·V·塞莱布里安斯基 申请人:因特洛格有限责任公司