Потенциальная дальность зондирования границ нефтенасыщенного пласта широкополосным электромагнитным импульсным зондом

Полный текст

Введение. В последнее время развиваются методы электромагнитного импульсного каротажа из скважины пластов нефтегазового коллектора [1-5]. В работах [5-11] теоретически изучены принципиальные возможности использования сверхширокополосного электромагнитного импульсного зонда (СЭМИЗ) для геонавигации бурового инструмента относительно водонефтяного контакта (ВНК) водоплавающей нефтяной залежи при бурении горизонтальных скважин. Однако экспериментальное обоснование каротажа нефтенасыщенной среды нефтегазового коллектора с использованием предложенной в работе [3; 7; 12; 13] 217 Вестник СибГАУ. 2014. № 3(55) конструкции зонда в условиях масштабов зондируемой среды, близких к натурным, не проводилось. В данной работе с целью обоснования принципиальной возможности обнаружения границы ВНК нефтенасыщенного пласта и оценки необходимого динамического диапазона приемопередатчика скважинного зонда проведены эксперименты по зондированию модельной нефтенасыщенной среды лабораторным макетом СЭМИЗ. Условия крупномасштабного радарного стенда Института физики (ИФ) СО РАН позволили сформировать модельный нефтенасыщенный слой толщиной ~1 м, близкий к наблюдаемым в реальных условиях нефтегазового коллектора. При этом макет СЭМИЗ был помещен в специальную цилиндрическую оболочку промышленно выпускаемой скважинной аппаратуры ВИКИЗ. Петрофизические параметры нефтенасыщенной среды были выбраны близкими к характеристикам песчанистых нефтегазовых коллекторов Сибири. При моделировании скважинного зонда выбрана более реалистичная электродинамическая модель, которая учитывает влияние диэлектрического корпуса зонда, геометрию экспериментальной установки и конструкцию антенн СЭМИЗ. Описание экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Деревянный бак размером (1,5 м х 3,2 м * 2,7 м) заполнялся влажным песком в виде треугольной призмы с высотой треугольного основания 1,1 м. Бак не имел деревянного основания и размещался непосредственно на полу лабораторного помещения. Были проведены исследования строения среды под полом лабораторного помещения (рис. 1). Пол лабораторного помещения представляет собой бетонную стяжку толщиной 80 мм, под бетонным полом расположен слой песчано-гравийной смеси (ПГС) толщиной 140 мм, слой ПГС лежит на полупространстве, состоящем из суглинка (объёмная влажность 13,5 %). Каркас бака изготовлен из бруса и обшит половой доской толщиной 28 мм. Внутри бак был покрыт полиэтиленовой пленкой, герметично запаянной сверху. В баке размещалась стеклотекстолитовая труба с диэлектрической проницаемостью є = 4,6, длиной 3,5 м, с внешним и внутренним диаметром 11 и 6,5 см соответственно. Данная стеклопластиковая труба используется в качестве оболочки в аппаратуре ВИКИЗ и была предоставлена нам для эксперимента компанией ОАО «НПО «Луч», г. Новосибирск. Труба закреплена на торцевых сторонах бака (3240 мм х х 1540 мм) на расстоянии 17,8 см от дна бака. Пространство бака заполнялось влажным песком, сформированным в виде треугольной призмы (рис. 1). Вся конструкция находилась в помещении с температурой 22 °С. Приёмопередатчик макета СЭМИЗ состоял из генератора импульсов, двух дипольных антенн и цифрового стробоскопического осциллографа. Дипольные антенны передатчика Т и приемника R, разнесённые на расстояние L друг от друга, находились внутри стеклотекстолитовой трубы. Передающая антенна возбуждалась генератором высоковольтных импульсов напряжения ГИН-2-02 производства ЗАО «ФИД-Технология», г. Санкт-Петербург. Длительность импульсов на уровне половины амплитуды составляла 0,8 нс, частота повторения импульсов 10 кГц, выходное сопротивление генератора 50 Ом по постоянному току. Стробоскопический осциллограф (фирма «Трим», TMR8120М) позволил проводить измерения напряжения и формы импульсов в полосе частот 0-20 ГГц при уровне шума 3 мВ. Временная форма импульса и его нормированный спектр на выходе генератора ГИН-2-02, измеренные с помощью стробоскопического осциллографа, приведены на рис. 2. Частота спектра импульса напряжения на выходе генератора в точке максимума равна 0,214 ГГц, а ширина спектра Af по уровню 0,5 составляет A/0,5 = fmax - - fmin = 0,558 ГГц (/max = 0,558, fmin = 0,0). Коэффициент широкополосности импульса на выходе генератора, определенный по формуле AF = 2(/max - fmm)l(/max + + fmin), равен 2. Данный импульс является широкополосным (AF > 1). Отношение ширины спектра импульса к его центральной частоте равно 2,6 и близко к коэффициенту широкополосности. Антенны скважинного радара представляют собой диполь с расширенной полосой пропускания [14]. Плечи диполя имеют цилиндрическую форму с конической центральной частью. Длина диполя 135 мм. Для уменьшения влияния токов, наводимых на внешней поверхности трубки, в которой размещен коаксиальный кабель, применены запирающие стаканы в виде короткозамкнутых отрезков коаксиальных линий длиной 125 мм с волновым сопротивлением 95 Ом, расположенных на расстоянии 30 мм друг от друга и от торца диполя. Внешний диаметр передающей и приёмной антенны равен 64,5 мм, длина с учетом трех запирающих стаканов составляет 620 мм. Внешний вид передающей/приёмной антенны изображен на рис. 3. Спектры комплексной диэлектрической модельной нефтенасыщенной среды. Для эксперимента была подготовлена модельная среда, соответствующая петрофизическим характеристикам нефтенасыщенного слоя песчанистых нефтегазовых коллекторов Сибири. Модельная среда представляла собой смесь песка, увлаженного водопроводной водой с растворенной поваренной солью. При этом объёмная влажность песчаника составляла 5,7 %, соленость солевого раствора задавалась 17 г/л. Спектры комплексной диэлектрической проницаемости модельной среды были измерены коаксиально волновым методом в диапазоне частот от 0,04 до 15 ГГц на диэлькометри-ческой установке с использованием коаксиальных ячеек и векторного анализатора цепей ZVK фирмы Rohde-Schwarz. Методика измерений подробно изложена в работе [15]. Измеренные спектры действительной Re^) и мнимой Іш(є) частей комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) є модельной среды изображены на рис. 4. Теоретическая интерпретация спектров КДП среды была проведена на основе рефракционной диэлектрической модели [15]. Согласно [15] показатель преломления n и нормированный коэффициент затухания к смеси, состоящей из сухого песка и воды, можно представить в форме рефракционной диэлектрической модели: n = nd + (nw - 1)Ww, (1) к = Kd + KwWw. (2) 218 Технологические процессы и материалы Рис. 1. Схема крупномасштабного лабораторного радарного стенда (все размеры даны в мм) Частота, ГГц а б Рис. 2. Импульс напряжения (а) и спектр (б) выходного сигнала генератора Рис. 3. Фотография антенны Рис. 4. Спектры действительной Re(e) и мнимой Іт(є) частей комплексной диэлектрической проницаемости є смеси песка и водного раствора поваренной соли: 1 - экспериментальные данные; 2 - рефракционная модель Вестник СибГАУ. 2014. № 3(55) Индексы s, d, w относятся к влажному образцу, сухому образцу и водному раствору соответственно. Коэффициент преломления n и нормированный коэффициент затухания к связаны с действительной є' = Re є и мнимой є" = Re є частями КДП є = є' + іє", где i - мнимая единица, формулами и 2 , „*2 , „-2 /^/2, n=\\Є +є +є к = 44є'2 +є"2 -є~/л/2 . (3) (4) КДП водного солевого раствора описывалась в виде формулы Дебая: , Єw,s Єw,ад , ■ ^w є w =єw,« +--7Z-.-+i- 1 - i 2nf Tw ЮЄ0 (5) В выражении (5) величина f обозначает частоту электромагнитного поля, величины Ow, Tw, є^ и ew,M обозначают омическую проводимость, время релаксации, низкочастотный и высокочастотный пределы относительной диэлектрической проницаемости. Величина є0 обозначает диэлектрическую проницаемость вакуума, которая равна 8,854-10-12 Ф/м. На основе формул (1)-(5) была проведена нелинейная аппроксимация экспериментальных спектров, изображенных на рис. 4, в случае следующих свободных параметров: nd, Kd, є^,^, ew,s, ow, tw. Соответствующие параметры, стремящие к минимуму, среднеквадратичное отклонение экспериментальных спектров от рассчитанных теоретически составили значения: nd = 2,89, Kd = 0,15, Єw,м = 4,9, Єw,s = 73,6, cw = 0,02 см/м, tw = 8,7-10-12 с. С использованием найденных параметров и формул (1)-(5) построены теоретические спектры КДП среды (рис. 4, кривая 2). Характеристики импульса, излучаемого в среду. На рис. 5 и 6 представлены временная форма и спектр импульса напряжения на выходе приемной антенны СЭМИЗ при расположении антенн на расстоянии 0,5 м друг от друга. Этот импульс содержит, кроме прямой волны, распространяющейся из излучающей антенны в приемную, также и волны, отраженные от дна, стенок, торцов бака и границ «воздух-песок» (боковая грань призмы, см. рис. 1). Так как амплитуды отраженных импульсов много меньше амплитуды импульса прямой волны, то импульс, изображенный на рис. 5, можно приближенно принять за импульс, распространяющийся в пространстве около трубы. Спектр этого импульса показан на рис. 6. Искажение временной формы этого импульса, по сравнению с импульсом на выходе генератора (см. рис. 2), вызвано тем, что ширина амплитудночастотной характеристики приемопередающего тракта СЭМИЗ уже, чем ширина спектра импульса, подаваемого на вход передающей антенны. В результате фильтрации ширина спектра импульса на выходе приемной антенны уменьшилась, а его длительность, соответственно, увеличилась. На рис. 5 показана также огибающая импульса, которая была рассчитана как модуль амплитуды комплексного аналитического сигнала, рассчитанного для данного импульса. Длительность излученного в среду импульса (по уровню 0,5 от максимума огибающей импульса) равна 5,6 нс. Параметры частотного спектра импульса, излучаемого в среду, оказались следующие: частота спектра в точке максимума равна fp = 0,363 ГГц, ширина спектра д/0,5 = 0,151 ГГц, коэффициент широкополосности AF = 0,4. Излучаемый в среду импульс является относительно узкополосным (AF < 1). Рассмотрим далее процесс отражения зондирующего импульса от боковых границ (песок-воздух) треугольной призмы. На рис. 7 представлены результаты измерения напряжения на приемной антенне для двух расстояний между передающей и приёмной антеннами в случае, когда на боковые грани призмы (см. рис. 1) были положены металлические листы. Импульс (а) на рис. 7 сформирован волной, распространяющейся вдоль оси СЭМИЗ, импульс (b) сформирован суммой двух волн, отраженных от двух боковых граней призмы, которые, когерентно складываясь, создают эффект усиления сигнала, импульс (с) сформирован волнами, отраженными от торцевых стенок бака. На основе измеренных временных форм импульсов, подобных показанным на рис. 7, были определены временные задержи и относительное затухание амплитуды импульсов, отраженных от боковых граней призмы (импульс, обозначенный индексом (b) на рис. 7), при различном разносе передающей и приемной антенн. В результате этого были рассчитаны скорость распространения Vp = 0,07 м/нс и коэффициент удельного затухания rp = 44,9 дБ/м зондирующего импульса, распространяющегося в среде призмы. На основе измеренных спектров КДП среды, приведенных на рис. 4, была оценена групповая скорость и коэффициент затухания волнового пакета на средней частоте зондирующего импульса 0,36 ГГц (см. рис. 6). Значение удельного коэффициента затухания и групповой скорости импульса оказались равными Гу = 48,4 дБ/м и Vg = 0,09 м/нс соответственно. Из сравнения измеренных с помощью скважинного зонда и рассчитанных величин (rp и г/ и Vp и Vg) следует, что подобным образом рассчитанные удельный коэффициент затухания и скорость распространения импульса с погрешностью 7 и 22 % соответственно отклоняются от экспериментально измеренных. Следовательно, данный подход может быть использован для определения эффективного коэффициента поглощения и показателя преломления на средней частоте зондирующего импульса. Глубина зондирования (при которой амплитуда принятого импульса равна уровню собственных шумов осциллографа) в данном эксперименте составила 0,97 м (при расстоянии между передающей и приёмной антеннами 1,8 м). Используя геометрооптическое приближение 1эф =44d2 + L2 для оценка длины трассы распространения отраженного импульса, получим 4ф = 2,65 м. С учетом измеренной величины удельного коэффициента затухания амплитуды зондирующего импульса Гf находим, что динамический диапазон системы был не хуже чем 128,3 дБ. Исходя из достигнутого динамического диапазона лабораторного макета скважинного зонда и найденного удельного 220 Технологические процессы и материалы коэффициента затухания Г/, при размещении приемной и передающей антенны на расстоянии 0,27 м (расстояние между фазовыми центрами диполей) предельная дальность зондирования нефтенасыщенного слоя может составить 1,32 м. Теоретическое моделирование скважинного зонда. Для корректного теоретического моделирования макета сверхширокополосного каротажного зонда, с учётом конструкции антенн, оболочки зонда и конечных размеров бака радарного стенда, была использована программа численного трёхмерного расчета электромагнитных полей (Microwave Studio) и диэлектрическая модель (1)-(5), которая учитывает петрофизические характеристики среды в объеме трехгранной призмы. Теоретически рассчитанные временные формы импульсов напряжения на выходе приёмной антенны СЭМИЗ в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 8. 0.50 30 • -----1 ■ Д\ 2 25 ■ і 0.25 / [І /V ,20 А ! e j ]\, о ■ ш g 0.00 ^ І Г il і • 1 \ С* - J -Й Af0,5 5* Kill Г ■ -0,25 ■ II ill ' s . V j Н Тта : о . J . ! , 1 , f _ -0,50 С 5 10 15 20 25 ЗО 35 00 °'1 °’2 °'3 0.4 0h5 0,Є 0,7 0,Э 0,9 1,0 1, не f, ГГЦ Рис. 5. Импульс напряжения на выходе Рис. 6. Спектр импульса напряжения приемной антенны (1) и его огибающая (2) на выходе приемной антенны t. НС Рис. 7. Временные формы импульсов (пунктирная линия) и соответствующие огибающие (сплошная линия) на выходе приемной антенны при различном расстоянии между передающей и приёмной антеннами Рис. 8. Нормированные временные формы импульсов на выходе приемной антенны при разносе антенн на расстояние AL = 0,9 и AL = 1,3 м, D = 0,97 м. Сплошная и пунктирная линии соответствуют расчету и эксперименту (в случае отсутствия металлического отражателя на верхних гранях призмы) 221 Вестник СибГАУ. 2014. № 3(55) Рассчитанная и измеренная форма импульсов прямого (а) и отраженного от боковой грани призмы (b) сигнала хорошо согласуются друг с другом. Однако при теоретическом моделировании не удалось корректно описать импульс (с), связанный с отражением волны от торцевой стенки бака. Заключение. Полученные с использованием крупномасштабного радарного стенда результаты демонстрируют согласие измеренных и рассчитанных с помощью предложенной в проекте модели нефтенасыщенной среды и модели каротажного зонда. Удовлетворительное соответствие теоретического моделирования форм и временных задержек импульсов с экспериментальными данными, полученными на крупномасштабном радарном стенде, позволяют проводить теоретическое моделирование опытных образцов скважинных радаров в средах нефтегазового коллектора, спланировать и начать их стендовые испытания. Кроме того, экспериментально доказана принципиальная возможность регистрации зондирующего сигнала, отраженного от границы модельного нефтенасыщенного пласта толщиной до 1,3 м, при динамическом диапазоне приемопередатчика зонда 128,3 дБ. Достигнутая дальность зондирования на 30 % превосходит предельную дальность зондирования имеющихся аналогов (аппаратура ВИКИЗ).

Об авторах

Константин Викторович Музалевский

Институт физики СО РАН; Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

Email: rsdkm@ksc.krasn.ru
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории радиофизики дистанционного зондирования; старший преподаватель кафедры космических материалов и технологий

Валерий Леонидович Миронов

Институт физики СО РАН; Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

Email: rsdvm@ksc.krasn.ru
доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией радиофизики дистанционного зондирования; заведующий кафедрой космических материалов и технологий

Михаил Иванович Михайлов

Институт физики СО РАН

Email: rsdkm@ksc.krasn.ru
инженер лаборатории радиофизики дистанционного зондирования

Список литературы

Дополнительные файлы