專利名稱：套管井周圍地層電阻率的測定方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測定配置金屬套管的油井周圍地質巖層的電阻率。
電阻率測井在石油勘探中的重要性是為人熟知的。已知，某一地層的電阻率基本上取決于它所包含的液體。包含導電鹽水的地層具有的電阻率要比充滿烴類的地層低得多，因而電阻率測量結果對于探測烴類礦床具有不可替代的意義。電阻率測井長時間以來廣為應用，特別是借助于具有多個電極的各種裝置，不過，現(xiàn)有的一些技術具有的應用范圍局限于不加套管的油井(石油工業(yè)術語中稱作“裸眼”)。在油井中出現(xiàn)的金屬套管-此時金屬的電阻率與地質巖層典型的數(shù)值相比是很微小的(與地層的1至100歐姆·厘米相比，鋼質套管是大約2×10-7歐姆·厘米)-表示對于向圍繞套管的地層送進電流有一種很大的屏障。結果，重要的是要在套管安放就位之前完成電阻率測定。特別是，電阻率測量結果不可能從生產油井取得，由于這些油井都配裝套管。
因此，最為有利的是能在油井的各已知套管段測定電阻率。這種測定，在生產油井中并在礦床中進行，使得可能判明水-烴界面，并因而可能隨時跟蹤這些界面的位置，以便監(jiān)測烴類礦床的動態(tài)并優(yōu)化其開采。還可能在其中在套管安放就位之前不曾進行測定的一油井(或一井段)中取得電阻率測量結果，特別是提高對于礦床的認識，以及或許發(fā)現(xiàn)原先不曾判明的各生產層。
在文獻資料中可以發(fā)現(xiàn)關于這一課題的各種建議。這種判定所基于的原理，在美國專利第2459196號中有所闡述，在于造成一股電流在電流漏出或向地層漏失的各種條件下沿著套管流動。這種漏失是地層電阻率的函數(shù)，地層導電性愈強，漏失愈大，因而通過測定漏失，有可能確定地層的電阻率。按照以上提及的專利，電流漏失是通過制定沿著套管流動的電流的分布圖而予以估定的。美國專利第2729784號闡述了一種測定方法，采用三個測定電極，沿著套管間隔開來并構成理論上全同的各對相鄰電極。各電流電極安放在各測定電極的每一側上以便在相反方向上向套管注入電流。一反饋回路以伺服方式控制電流注入，以便把外部各測定電極置于同一電勢，而達到消除在由各測定電極所形成的各段中套管電阻方面差別的影響。在中間電極處的泄漏電流值通過測定每一對電極上的電壓降和通過考慮各電壓降之間的差別而獲得，所述差別表述為正比于泄漏電流。美國專利第2891215號闡明了一種同一類型的方法，采用一等位于中間測定電極的附加電流電極，后者還設置得以便施加一正好補償泄漏電流的電流。
一如美國專利第2729784號之中，法國專利第2207278號準備使用三個等距間隔開來的測定電極以測定泄漏電流，并闡明了一種兩階段方法第一階段用于測定由各測定電極所形成的那段套管的電阻，在此階段期間，使電流沿著套管流動，以致無電流漏進地層；以及第二階段，其間可發(fā)生電流漏進地層的情況。為此，設置一電流注入系統(tǒng)，包括一個發(fā)射電極和兩個回流電極，其一靠近各測定電極并在第一階段期間發(fā)揮作用，而另一位于地面上并在第二階段期間發(fā)揮作用。
美國專利第4796186號闡明一同一類型的兩階段方法，一如前面提及的法國專利第2207278號，并采用各電極的同一設置。此專利提供一電路，用于消除兩段套管之間電阻變化的影響，此電路包括連接于各對測定電極的各放大器，以便發(fā)送各自的輸出電壓降。放大器之一具有變動的增益，而其增益在第一階段期間予以調節(jié)以便抵消來自各放大器的輸出之間的差別。假定各大小量級規(guī)定如上，則此技術是很難實施的。它還需要兩個顯然不同的測定階段。
本發(fā)明尋求能使泄漏電流以比已知各種技術簡單和更為有效的方式加以確定。
本發(fā)明提供一種探究配裝金屬套管的一井孔周圍的地質巖層電阻率的方法，此方法的特征在于以下事實，即一電流施加于套管，以便使電流漏入在一給定層位的地層，所述電流由在測定層位每一側上接觸套管的一反饋電路予以分路，所述反饋電路組配得以致在所述層位處沿著套管流動的電流與分流路電流相比是很小的，位于測定層位每一側上套管相鄰各段上的電壓降之間的差別得以確定，以及泄漏電流得以從中導出。
本發(fā)明在閱讀參照附圖所作的以下說明之后將會很好地了解，附圖中

圖1再現(xiàn)采用通常技術測定套管井電阻率的原理；圖2是表明本發(fā)明方法第一實施例的簡圖3是表明本發(fā)明方法第二實施例的簡圖；圖4表明適于實現(xiàn)本發(fā)明的井下設備。
據(jù)以自一套管井測定電阻率的原理在于，造成一電流沿著套管流動而在遠處回流，以便能使電流漏入油井周圍的地質巖層，以及以便估定泄漏電流。在一給定層位處，在該層位處圍繞油井的地層越是導電性強，泄漏電流就越大。這一點可以由在一給定層位處以一減小率在套管中流動的電流的一個指數(shù)減小關系式，亦即一個地層電阻率Rt與套管電阻率Rc之間比值的函數(shù)，在數(shù)學方面予以表述。
圖1的簡圖表明一段配裝金屬筒11、具有軸線X-X’的井10。需要獲得測量結果的層位(或深度)示為參照符號B。考查一段套管AC，在層位B的每一側上伸展。如果電流在套管中流動而在遠處(比如在地面處)回流，則進入地層的電流漏失就電路而言可由安放在套管層位B與無限遠之間的一分路電阻器予以表示。此電阻器的電阻代表在層位B處地層的電阻率Rt。利用歐姆定律，因而可能寫出[1] Rt＝k(VB，∞/Ifor)其中k是一可由各標定測量結果予以確定的幾何常數(shù)，VB，∞是相對于無限遠在層位B處套管的電位，以及Ifor是在層位B處的漏失電流。
在層位B處的電流漏失可以表述為進入層位B的電流與離開它的電流之間的差值。作出以下近似，即電流是以離散方式變化的，可以假定AB段中的電流以及BC段中的電流都是不變的，這些電流取為等于在這些段中各自的平均電流IAB和IBC，而泄漏電流Ifor確定為電流IAB與IBC之間的差值[2]Ifor＝IAB-IBC由于IAB和IBC是AB段和BC段之內的均值，所以[2’] Ifor＝VAB/RAB-VBC/RBC其是VAB和VBC分別是沿著套管AB段和BC段的電位降，而其中RAB和RBC是套管AB段和BC段各自的電阻。
圖2是一簡圖，表明本發(fā)明的一實施例。
在圖2中，可以看到孔眼10和套管11，由一注入電極(未示出)向后者施加一電流Io。而回流在遠處，以致電流漏入地層，一如各平行箭頭所示。
在圖2中，可以看到套管11上沿軸向間隔開來的層位A、B、C和D，形成AB、BC和CD各段。各電極安放得在層位B和C處，并也在層位A和D之中至少之一處，接觸于套管。位于層位A、B、C和D處的這些電極分別由a、b、c和d表示。中間電極b和c分別連接于具有高增益G的一放大器12的輸入端E1和E2。放大器12并聯(lián)于由套管11構成的電路，放大器12的輸出端S1和S2在位于伸展在層位A與D之間的那段的各自端部的各自層位A’和D’處連接于套管11。放大器12構成一反饋回路，組配得可把輸入端E1與E2之間的電位差降低到一個基本上是零或在任何情況下都是很小的數(shù)值。電極b與c之間的電壓降，并因而是在這些電極之間流通的電流IBC則可以被認為基本上是零，或在任何情況下都是很小的?；旧先侩娏饕蚨晦D換到包含放大器12在內的分流電路。在這些條件下，在放大器12的控制下沿著BC段以外套管流動的電流基本上等于漏入地層的電流Ifor。電極a與b之間的電位差VAB(或者電極c與d之間的電位差VCD)則基本上正比于泄漏電流Ifor 此電位差由一放大器13予以測定，后者的各輸入端連接于電極a和b(或者電極c和d)而其輸出電壓是各輸出電壓之間的差值。
本發(fā)明的技術以簡單方式消除了與涉及各段套管電阻RAB和RBC的不定性相關聯(lián)的基本上所有的困難。由以上方程式[3]中得出，涉及套管段電阻RAB(或者RCD)的不定值ΔR對于涉及泄漏電流的不確定影響只是以一相對項ΔR/R的形式，此項ΔR/R在各種實際條件下一般具有10-2的量級。不定值ΔR的影響因而得到?jīng)Q定性的減小。此外，本發(fā)明使之可能在單一的測定階段中獲得泄漏電流，這從操作上來說是很有利的。
以上說過，在BC段中流動的電流IBC必須基本上是零或在任何情況下是很小的。在本發(fā)明中，適當?shù)氖且匀缦路绞皆O定放大器12的增益，即在層位A’與D’之間流動的電流與轉換到放大器的電流的比值決不大于大約10-2，假定確切的比值取決于各種條件和測定范圍而變化，比如在一給定的井眼中，它隨從事測定所在的深度而變化，并因此它不可能事先予以規(guī)定。以上提及的大小量級首先足以獲得一個以減少不定值ΔR影響的角度來看是可以接受的結果，而其次它不要求放大器12的增益大得過分。為放大器12確定適當?shù)奶卣魇窃诒炯夹g中熟練人員的勝任能力之內的。
具有此量級的數(shù)值，電流IBC并因而和電壓VBC未必需要是完全可忽略不計的，而且為了獲得較好的精確度，最好是在應用以上方程式[2’]時采用在放大器12輸出端處獲得的電壓VBC以確定泄漏電流Ifor。不過，基于方程式[3]的近似確定方法，不利用電壓VBC，也還歸入本發(fā)明的范圍之內。
上述的電路具有一放大器12，既用作一反饋電路，也用作一測定電壓VBC的電路。
該電路的一種變通實施例在于，通過設置一第一放大器用于反饋目的和一第二放大器用于測定VBC，以分離這些功能。包括第一放大器的反饋電路則可以在不同于點B和C和各點處，比如點A和D處，接觸于套管。這一變通方案因而提供了較大的靈活性。
其次，按照方程式[3]或[2’]，測定泄漏電流需要了解測定電壓降所在的那段套管的電阻。按照以上的意見，所談到的電阻不需要了解得非常準確。這樣就開闊了多種可能性。
第一可能性只是在于計算這些電阻，作為涉及所考查層位處套管的、可供使用的數(shù)據(jù)(內徑、外徑、電阻率)連同其他一些有關參數(shù)(所考查層位處的距離AB、BC、CD和溫度)的某一函數(shù)。
另一可能性在于通過一個明顯不同于上述主要工作的測定階段來確定所考查的電阻。使一電流流動在各段套管AB、BC和CD之中，以致沒有進入地層的泄漏，而做到這一點要依靠一包括在分別靠近層位A和D的層位處接觸于套管的一注入電極和一回流電極的電路，并測定所考查的各段套管的電壓降。
第三種解決辦法可以設想為與主要工作同時測定電阻RAB或RCD。這一解決辦法借助于以簡圖示于圖3的電路予以實施。
原則在于，與不同于用于主要測定的頻率fo的頻率f的電流測定電阻RAB與RCD。示于圖3之中的反饋回路具有兩個各自增益為G1和G2的放大器14-1和14-2。電壓v施加在放大器14-1與14-2之間。這樣導致一電流j環(huán)繞回路并沿著套管通過，一如虛線所示。給定由此電流j所通行的電路的尺寸，此電流就基本上流通在套管的厚度之內，而且與地層的電阻率無關。通過測定電流i，有可能利用以下方程式[4] RAB＝V/G1·j來確定套管的電阻。
電壓VAB(或VCD)一如參照圖2所述，借助于各輸入端連接于電極a和b(或c和d)的一放大器(圖3中未示出)來獲得。
以上提及要測定電壓VAB或電壓VCD。實用上，最好是同時測定這兩個電壓，由于這使之可能在單一階段中獲得對應于孔眼中兩個不同層位的兩個測量結果，一個用于層位B，另一個用于層位C。
實現(xiàn)本發(fā)明的適當設備示于圖4之中。圖4表明一配裝套管11的油井孔眼10，以及一被賦予整體參照編號20的井下儀，此井下儀懸置在一電纜21的端部處，以致它可以以石油測井技術中常見的方式沿著孔眼移動。電纜21連接于通常包括一絞車(未示出)、一數(shù)據(jù)采集和處理裝置23以及一電力源24的地面設備。井下儀20具有四個測定電極a、b、c和d，都可以使之接觸于套管以確定各段套管ab、bc和cd，各自具有一適當選擇的長度而處于范圍40cm至80cm之內。在圖示實施例中，電極a、b、c和d裝在鉸接于井下儀20的各自臂桿25上。在此不需說明的通常類型的機構用以使各臂桿從井下儀向外散開，以便使各電極接觸于套管，而后一當測定完成即將它們撤回而進入縮進位置。各電極設計得以致一當它們接觸于套管，它們的位置就盡可能地牢固地固定了，而且以致與套管的電氣接觸良好。
這種類型的井下儀可以由如美國專利第5563514號之中所述，基于Schlumberger公司為CPET作業(yè)在商業(yè)上所用的設備而制作出來。此設備，目的在于估定套管的陰極保護及其腐蝕狀態(tài)，具有圍繞在縱向上間隔開來的四個層位分布的井測定電極，各層位之間的距離為大約60cm，以及在每一層位上的三個電極圍繞設備的軸線對稱設置，亦即在相鄰各電極之間角度間隔為120°。不過，針對本發(fā)明的需要，每一層位一個電極就足夠了。
井下儀還具有各電流電極，設置在電極a和d以外，亦即，一頂部電極In1和一底部電極In2，而這些電極離開電極a和d的各自距離可以具有與電極a與d之間的距離同一量級或可以稍微大于后一距離，比如幾米。各絕緣聯(lián)接器26，諸如AH169型聯(lián)接器，一般為Schlumberger公司所用，安放在井下儀攜帶測定電極a至d的中間部分的每一端部，以便使它們與電流電極In1和In2隔絕開來。電流電極In1和In2可以以用于套管井中的扶正器的通常方式予以制作。一般設置在這種扶正器上的用于造成與套管接觸的各滾輪則用適于用作各電流電極的各器件來代替，而各導電件設置得連接于構成電極的各器件。
井下儀還具有一電子組件(未示出)。此電子組件適當?shù)匕▍⒄請D2和3所述的放大器12、13，以及14-1、14-2。出自這些電路的輸出信號優(yōu)選地被數(shù)字化并被傳向地面，用于在裝置23中處理以確定地層的電阻率。
此設備還具有一遠處回流電極In3，優(yōu)選地安放在井口裝置處(如果井深足夠)或在離開井口裝置某一距離處的地面上，而且它還具有用于向各電極饋電的裝置。這種裝置包括上面提及的地面電源16和在適當時安放在井下儀之內的一附加電源，連同一些適當?shù)拈_關電路。
上述裝置使之可能確定泄漏電流Ifor。為了確定地層的電阻率Rt，留下來的是確定套管相對于無限遠處一參照值的電位VB，∞，一如上述。雖然不是本發(fā)明的內容，但下面還是給出關于如何確定套管電位的一些提示。
通常的方法在于，采用一參照電極，安放在離開地面回流電極In3某一距離處的地面上。因而在測定電極b層位B處的套管與參照電極之間測定電位差Vbs。利用以上方程式[1]，可建立比值K·Vbs/Ifor，其中K是以上提及的常數(shù)，以便推演出地層的電阻率。
另一避免采用一參照電極的方法闡明在1999年4月28日的法國專利申請99/05341之中，可以參考這一文件以求更為詳細的解釋。
權利要求
1.一種方法，用于探究圍繞一配裝金屬套管的井眼的、一地質巖層的電阻率，此方法的特征在于以下事實，即一電流施加于套管，以便造成電流在一給定層位處漏入地層，所述電流由一在測定層位每一側上接觸于套管的反饋電路予以分路，所述反饋電路組配得以致在所述層位處沿著套管流動的電流與分路電流相比是很小的，確定位于測定層位每一側上相鄰各段套管上的各電壓降之間的差值，并從中推演出來泄漏電流(Ifor)。
2.按照權利要求1所述的一種方法，其中在所述層位處沿著套管流動的電流與分路電流的比值不大于大約10-2。
3.按照權利要求1或2所述的一種方法，其中測定包含所述層位在內的至少一段套管上的電壓降(VAB、VBC、VCD)，確定所述一段的電阻(RAB、RBC、RCD)，以及從中推演出來泄漏電流。
4.按照權利要求3所述的一種方法，其中所述一段套管的電阻從涉及所考查層位處套管的標稱數(shù)據(jù)中確定出來。
5.按照權利要求3所述的一種方法，其中所述一段套管的電阻由一測定階段予以確定，在此階段中，一電流施加于套管，以便基本上不發(fā)生向地層的漏入。
6.按照權利要求3所述的一種方法，其中所述一段套管的電阻在與測定電壓降同一階段期間通過在一不同的頻率下從事測定而予以測定。
7.一種設備，用于探究圍繞一配裝金屬套管的井眼的、一地質巖層的電阻率，此設備的特征在于以下事實，即它包括一用于把電流施加于套管以便造成電流在一給定層位處漏入地層的裝置(24，In3)，一反饋電路(12)，組配得在位于所述層位每一側上的點(A’，D’)處接觸于套管并用于把在所述層位處沿著套管流動的電流保持在與經(jīng)由反饋電路而分路的電流相比只是很小的一個數(shù)值上，以及一用于測定由所述泄漏造成的電壓降的裝置(13)。
8.按照權利要求7所述的一種設備，反饋電路包括一具有高增益(G)的放大器(12)，其各輸入端(E1，E2)接觸于套管并在其上形成鄰近所述測定段的一段(BC)，而其各輸出端(S1，S2)分別連接于所述各接觸點。
9.按照權利要求8所述的一種設備，包括一裝置，用于施加一電壓(v)給套管的所述鄰近段(BC)，所述電壓處在不同于用于造成向地層的漏入所施加電流的頻率的一頻率下，最終的電流(j)表征所述一段套管的電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和設備,用于探究圍繞一配裝金屬套管的井眼的、一地質巖層的電阻率,一電流施加于套管,以便造成電流在一給定層位處漏入所述地層,而所述電流由一在測定層位每一側上接觸于套管的反饋電路予以分路,所述電路組配得確保在所述層位處沿著套管流動的電流與分路電流相比是很小的,確定位于測定層位每一側上相鄰各段套管上的各電壓降之間的差值,并從中推演出來泄漏電流(Ifor)。
文檔編號G01V3/18GK1357112SQ00809280
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月7日 優(yōu)先權日1999年6月22日
發(fā)明者多米尼克·貝尼梅利 申請人:施藍姆伯格技術公司