Разработка скважинного трехкомпонентного гравиметра В.Г. Мамяшев, И.И. Нестеров

Гравитационный каротаж

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КАРОТАЖ Гравитационный каротаж (ГрК) - это определение ускорения силы тяжести вдоль вертикального профиля (в скважине или вертикальных горных выработках). Теоретические основы метода, первые в мировой практике скважинные гравиметры и первые измерения силы тяжести в скважине выполнены под руководством П.И. Лукавченко (ВНИИГеофизика) в 60-е 70-е годы прошедшего столетия. К наиболее известным из них относятся измерения в Кольской сверхглубокой скважине. Известен опыт проведения гравитационного каротаж в нефтегазовых скважинах. Такие исследования, в частности, были выполнены под руководством и с участием Н.Х. Газеева (ЗапСибВНИИГеофизика), в начале 80-ых годов, не менее чем в трех скважинах на месторождениях Западной Сибири. Они позволили получить первые практические оценки возможностей и ограничений метода ГрК, а также - технологии исследований и методики интерпретации получаемых данных.

Краткие физические основы ГрК Поле земного тяготения описывается законом всемирного притяжения И. Ньютона, устанавливающим связь между силой взаимного притяжения двух точечных тел с массами m1 и m2, центры которых расположены на расстоянии r друг от друга: F = - f*m 1 m 2 /r 2, (1) где f - универсальная гравитационная постоянная: f=6.67*10-8 (см3*г-1*c-2) На поверхности геоида результирующая (с учетом центробежной силы) сила притяжения единичной массы, с достаточным приближением составит: g = f*M/R 2,(2) где M – масса и R – радиус Земли. Здесь М = 5.97*1024 кг, а радиуса Земли на экваторе равен R = 6.38*106 м. Отсюда на экваторе получим, что ускорение силы тяжести составит g = 9,78 м/c2. В честь Галилео Галлея, положившего начало изучению ускорения силы тяжести, величину равную 0,01м/ назвали галлом. Производная от неё величина, соответствующая 10-8 м/c2 или 10-6 см/c2, получила название 1 микрогалл (1мкГл).

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД ДРУГИМИ МЕТОДАМИ КАРОТАЖА Уникальные информационные возможности гравитационного каротажа определяют соответствующие перспективы его применения: Обусловлены они следующим особенностями метода: - уникальным радиусом исследований, составляющим 50 и более метров, при обеспечении вертикальной разрешающей способности не хуже 5 метров; - возможностью проведения исследований, как в открытом, так и обсаженном стволе скважины; - практическим отсутствием или весьма незначительным влиянием собственно скважины (её диаметра, скважинной жидкости, обсадной колонны, цемента и т.д.); - высокой чувствительностью к плотности пород (средней в пределах радиуса исследований); - возможностью изучения пространственного расположения аномалий силы тяжести и, соответственно, плотности пород; - возможностью проведения мониторинга изменения силы тяжести в ходе технологических процессов, включая разработку месторождения.

Обоснование развития метода Новые технические возможности реализации гравитаци- онного каротажа, предложенные западными геофизическими предприятиями, вызвали всплеск интереса и активности в развитие этого метода во всем мире. В этой связи, с учетом отечественного приоритета в области гравитационного каротажа, уникальности метода, особенно при решении сложных задач, а также с учетом стратегического значения получаемой гравиметрической информации возникает необходимость развития этого метода исследования скважин в нашей стране.

Указанные возможности ГрК послужили основанием для организации разработок соответствующих приборов. Основу их составляет чувствительный элемент гравиметра (ЧЭГ). В 2002 году Нестеровым И.И. и Луневым В.И, был получен патент на способ и устройство измерения гравитационного поля, ЧЭГ которого функционировал на основе эффекта Холла. В годах были продолжены разработки ЧЭГ на базе высокоточных 3D акселерометров. Завершились эти работы в рамках договора с ООО «НПЦ Тюменьгеофизика» на изготовление восьми опытных образцов ЧЭГ- 3D и полевых гравиметров. Состояние разработки

Технические характеристики ЧЭГ- 3D 1.Погрешность единичного измерения, мкГал не более 4,0 2.Чувствительность при измерении силы тяжести, мкГал не более 2,0 3.Диапазон измерений, мГалот 100 до Собственная частота емкостных акселерометров, Гц от 0 до Частота записи (регистрации) данных измерений, Гцот 14 до 0,11 6.Остаточное смещение нуль-пункта (мГал/сутки)не более 0,01 7.Время измерений на одном пункте, мин.до 3,0 8.Количество пунктов измерений в памяти (объем памяти) Область проведения измеренийлитосфера Земли 10.Температурный диапазон проведения измерений (ºС)от -30 до Абсолютный дрейф измерения силы тяжестименьше 0,2 мГал 12. Остаточное смещение нуль-пункта, 0,005 мГал /день 13 Абсолютный дрейф нуля:

Технические характеристики ЧЭГ- 3D (продолжение) 14 Размеры ЧЭГ- 3D, без сосуда Дюара:- длина (мм), - не более:350 диаметр (мм) Размеры устройства типа ЧЭГ-3D, включая сосуд Дюара: длина (мм), -не более:450 диаметр (мм)., Автономный источник питания емкостью не менее (А/ч), 50 17Рабочее напряжение автономного источника питания (В)12,0 ±2,0 18Термостабилизация в диапазоне температур -35 ÷ +45 ºС, не хуже ± 0,05 (ºС)1 9Длительность подержания термостабилизации устройства (ч) не менее 12,0 20Допустимая погрешность измерения угла между полным вектором и вертикальной составляющей гравитационного поля не более 0,05 градуса 21Гарантийный срок на устройство ЧЭГ- 3D. 24 месяца

Технические характеристики скважинного прибора – гравиметра 1 – длина, мне более 4.5; 2 – диаметр, мм не более 70; 3 – масса, кг не более 80; 4 – давление в скважине до 600 атм; 5 – температура в скважине, град. Цдо 90; 6 – продолжительность работы за один спуско-подъем, час не менее 7; 7 – код передачи цифровых данных «Manchester».

Общий вид измерительного электронного блока

Примеры регистрации составляющих гравитационного поля разработанным прибором

Результаты испытаний на Нижне-Тагильском гравиметрическом полигоне

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН РАБОТ этапаНаименование этапа выполнения работ Сроки работ: Стоимость этапа, тыс. руб Обоснование и утверждение проектно- сметной документации (ПСД), оформление заявки на патент г100, г. 2Техническая и метрологическая характеристики и аттестация базового чувствительного элемента трехкомпонентного гравиметра (ЧЭГ-3D) г250, г 3Модификация ЧЭГ-3D с целью повышения чувствительности г.450, г 4ОКР на скважинный прибор трехкомпонентного гравии-метра на базе ЧЭГ-3D повы-шенной чувствительности г620, г 5Изготовление скважинного гравиметра г.2900, г 6Разработка специализирован- ного программного обеспече-ния для обработки скважинной гравиметрии г.200, г 7Метрологическая аттестация и сертификация скважинного трех компонентного гравиметра, промышленное опробование г.390, г. 8Подготовка техдокумента-ции для организации промы-шленного производства скважинного гравиметра г330, г ИТОГО 5 240,0

Конкуренция и конкурентное преимущество ФакторРазрабатываемый скважинный гравиметр Скважинные гравиметры западных фирм (см. выше) ЦенаНе более $ Не менее прибора(меньше в шесть раз)$ Стоимость услуг (каротажа) Около –Около руб/100м$ /100м Стоимость комплектующих и обслуживание Дешевле в 4-5 разДорогое

Финансовая модель год2012 год2013 год2014 год20155 год и далее Прогноз цены реализации услуги*, т.р Прогноз объемов услуг*, тыс. м ГИС - 3, Прогноз затрат*, тыс. руб , , , , ,2 График инвестирования* Прогноз выручки от реализации**, тыс.руб , , ,0 Денежный поток наличности, тыс. руб** ? , ,80 Накопленный поток наличности** ?

Благодарим за внимание.

Дополнительные материалы.

В процессе решения обратной задачи гравиразведки по результатам наземных и скважинных измерений становится возможным: Определение плотностей источников заданной формы; Определение конфигурации источников с заданными значениями плотности; Определение плотностей и геометрических параметров некоторой части источников при закрепленных параметрах другой части источников. Основные черты отличия совместной интерпретации наземно-скважинных гравиметрических измерений от интерпретации материалов наземных съемок: Возможность определения не только эффективных, но и истинных значений плотности геологических объектов Снижение степени неоднозначности решения обратной задачи гравиметрии Возможность комплексирования скважинной гравиразведки с другими методами ГИС, позволяющее получать взаимодополняющую информацию. Комплексирование наземных и скважинных гравиметрических наблюдений

Сопоставлениеназемныхискважинныхгравиметрических данных Сопоставление наземных и скважинных гравиметрических данных Анализ материалов скважинной и наземной гравиразведки для Краснокамского месторождения нефти позволил выявить плотностное разуплотнение в ВЧР и выполнить привязку наземные аномалии силы тяжести по глубине

Скважинный гравиметр BHGM (Borehole Gravity Meter) Гравиметр имеет скважинную часть и блок, расположенный на поверхности. Наружный блок является источником питания, к которому подключен ноутбук с программным обеспечением, позволяющим контролировать и управлять процессом регистрации данных. Скважинный гравиметр BHGM является миниатюрной версией наземного гравиметра компании LaCoste&Romberg. Датчик представляет собой астазированные металлические пружинные весы с горизонтальным коромыслом и наклонной удерживающей пружиной нулевой длины. Уравнение для расчета плотности : при условии что точка наблюдения g н2 расположена ниже точки наблюдения g н1

Датчик помещен в алюминиевую капсулу с термостатическим регулированием температуры. Капсула изолирована, и в ней поддерживается постоянная температура датчика с отклонением не более 0,1°C. Для каждого гравиметра имеется особая температура, на уровне которой температурные колебания вызывают минимальные изменения величины силы тяжести. Эта температура называется температурой чувствительности. Температура чувствительности для скважинных гравиметров находится в диапазоне от 117 до 131°C.

Эксплуатация Переходник к кабельной головке типа Schlumberger с 10 контактами Подъемник каротажный самоходный (фирменный) Подъемник каротажный самоходный (типа ПКС -7Г)

Гравиметр CG-5 AutoGrav компании Scintrex

Пример записи

Спецификация гравиметра CG-5 AutoGrav Тип датчика плавленый кварц с электростатической компенсацией Точность измерения1мкГал Стандартное отклонение< 5мкГал Рабочий диапазон8000 мГал, без переустановки Остаточный долговременный дрейф (статический)менее 0.02 мГал в день Диапазон автоматической компенсации наклона+/- 200 угловых секунд Скачок измерений типично - меньше 5мкГал для удара в 20 G Автоматическая коррекция прилив, наклон прибора, температура, Шумоподавление, сейсмический фильтрРазмеры30 х 21 х 22 смВес с аккумуляторами8 кг Емкость батарей2х 6АЧ (10.8 В) литиевые аккумуляторы Потребление4.5Вт при 25 градусахРабочая температура от -40 до +45

Продолжение спецификации Температурный коэффициент0.2 мкГал /Цельсия Коэффициент атмосферного давления 0.15 microGal/kPa (обычно) Коэффициент магнитного поля1 мкГал/ Гаусса (обычно) (обычно) Память Flash технология, 1 МБ (стандартно) - расширяется до 12 МБ Часы реального временивнутренние: выдают день, месяц, год, часы, минуты, секунды Цифровой выход последовательный интерфейс RS-232 и USBФормат данныхScintrex, text, CG-3, xyz Аналоговый выход данных Ленточный регистратор Дисплей1/4 VGA 320x240Клавиатура27 клавиш

Результаты ГрК позволяют: определить среднее значение плотности блока пород, заключенного между соседними точками наблюдений в скважине, в радиусе гораздо большем мощности самого блока; проводить литолого-стратиграфическое расчленение разреза; строить геолого-геофизические разрезы и следить за характером поведения опорных горизонтов; выделять в разрезах участки, перспективные на нефть и газ (как правило это пористые коллекторы, обладающие пониженной плотностью), пропущенные другими методами; проводить мониторинг режима эксплуатации месторождений нефти и газа и газохранилищ (контроль за поведением водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов; оценка количества извлеченных запасов); в комплексе с акустическим каротажем АК определять упругие свойства горных пород (волновые сопротивления, коэффициент отражения для продольных и поперечных волн, модуль Юнга и модуль сдвига, коэффициент Пуассона); повысить геолого-экономическую эффективность разведки за счет сокращения числа структурных и поисково-разведочных скважин; определять плотность промежуточного слоя, для повышения надежности интерпретации материалов наземной гравиметрической съемки; уменьшить неоднозначность решения обратной задачи гравиразведки при совместной интерпретации скважинных и наземных гравиметрических данных в рамках уникальной системы VECTOR.

Точностьизмерений Точность измерений Измерения плотности На точность измерений плотностей скважинным гравиметром влияют погрешность определения глубины и точность гравиметрических наблюдений (рис. 1 и 2). При заданных точностях по глубине h и замерам приращений силы тяжести g лучшая точность по плотностям будет достигаться при больших интервалах по глубине. g, мкГал ( г/см 3 ) h, ( футы ) ( г/см 3 ) h, дюймы Рис.1. Точность определения плотности в зависимости от погрешности определения g Погрешность определения средней плотности Рис.2. Точность определения плотности в зависимости от погрешности определения h g – средняя квадратическая погрешность единичного наблюдений g в мГал, h - шаг наблюдений. При g = ±(1-3) мкГал и h=2.5 м можно получить значение плотности с погрешностью ±( ) г/см 3.

Гравиметрические измерения Точность и надежность гравиметрических наблюдений обеспечивается 1.Минимальным смещением нуль-пункта. 2.Блоком позиционирования с электростатической обратной связью. 3.Емкостным датчиком положения. 4.Новой конструкцией, уменьшающей уровень шумов электроники. 5.Методикой наблюдений. Основные методики наблюдений 1.Однократная методика с предварительной разбивкой опорных пунктов вдоль скважины. 2.Цикличная методика «отдельных приращений». 3.Наблюдения со 100%-ым повторением (наиболее приемлема, повышающая точность наблюдений 2 раз). При правильной организации исследований и подготовке прибора к работе среднеквадратическая погрешность единичного наблюдения может составлять g =±(1 - 3) мкГал. Гравиметрические измерения выполняются, когда прибор находится в состоянии покоя. Время между измерениями от 8 до 14 мин в зависимости от шага измерений и окружающих помех. Шаг наблюдений определяется с учетом необходимой точности определения плотности.

Измерения глубины Минимизация погрешностей определения глубины достигается использованием специально разработанной модели зонда Shuttle Sonde («зонд-челнок»). Данный зонд позволяет гравиметрическому датчику двигаться внутри скважинного инструмента. Ошибка приращения глубины уменьшается до ± 1 мм на 2.5-метровом диапазоне зонда Shuttle Sonde. Абсолютная глубина датчика обеспечивается кабельным одометром. Для целей мониторинга гравиметрические измерения выполняются на той же самой абсолютной глубине, что достигается использованием записи диаграмм локатора муфт высокого разрешения с интервалом отсчетов 1 мм.

Спецификация * 1 дюйм = 0,0254 м,, 1 фут (США)= м, 1 фунт = 0, кг **в ближайшее время планируется выпуск модели, предусматривающей увеличение угла отклонения Стандартный зонд Малый зондShuttle Sonde «зонд-челнок» Высокотемпературный зонд БольшойМалый Диаметр, Дюйм* / см Температура, С Время работы, час Не ограничено 30 при 200°C20 при 200°C Давление, PSI / atm Отклонение**, градусы 14° Вес, Фунт* / кг Длина, Дюйм / м Минимальный диаметр обсадки, дюйм/см

Стандартнаякомплектацияпоставки Стандартная комплектация поставки НаименованиеКол-во, шт. 1.Скважинный гравиметр LaCoste&Romberg BHGM1 2.Корпус BHGM для низких температур малого диаметра (зонд) 1 3.Корпус BHGM для высоких температур малого диаметра (зонд) 1 4.Переходник к кабельной головке типа Schlumberger с 10 контактами 2 5.Оборудование и программное обеспечение для телеметрии 1 6.Оборудование и программное обеспечение для кодировщика глубины 1 7.Зонд гамма и локатор муфт1 8.Пакет программ GravMaster1

Основные технические характеристики 1.Стандартное отклонение 1.Стандартное отклонение < 5мкГал 2.Рабочий диапазон 7000 мГал 3.Минимальный диаметр зонда 48 мм 4.Максимальная глубина исследования 2000 м 5.Рабочий диапазон температур0-70 С ( ) 6.Минимальный диаметр скважин 60 мм 7.Максимальный наклон скважины 60 гр. (57,2) 8.Погрешность измерение глубины 5 мм

Географияработ География работ США (Мексиканский залив), Канада, Италия (о.Сицилия), Испания (прибрежная зона), Германия, Польша, Саудовская Аравия, Оман, Габон, Малайзия (штат Саравак, о.Калимантан), Индонезия (о. Суматра), Папуа-Новая Гвинея (прибрежная зона), Адриатическое море, Северное море, Казахстан, Россия (2005 г.)

1. Обнаружение «обойденной» пористости в нефтегазоносных структурах (пропущенные интервалы повышенной пористости). 2. Обнаружение разбуренных, но не извлеченных промышленных запасов газа или нефти. 3. Измерение пористости карбонатных пород. 4. Картирование пологих надвигов. 5. Картирование соляных куполов. 6. Оценка пластового давления. 7. Мониторинг флюидонасыщенности. 8. Измерение плотности породы пласта в размытых породах. 9. Обнаружение наличия конуса обводнения. 10.Комплексирование скважинных и наземных гравиметрических наблюдений. Областьприменения Область применения

ПРЕИМУЩЕСТВА 1. Большая глубина исследований по радиусу относительно оси скважины. 2. Выполнение измерений в обсаженных скважинах. 3. Высокая точность гравиметрических наблюдений. 4. Минимизация ошибки приращения глубины. 5. Высокая устойчивость к резким изменениям давления и температуры. 6. Отсутствие искажающего влияния прискважинного пространства на показания ГрК. 7. Конструктивные особенности. 8. Наличие пакета программ обработки и интерпретации данных ГрК. 9. Возможность комплексной интерпретации скважинных и наземных наблюдений. НЕДОСТАТКИ 1. Технологические - увеличено время на выполнение спускоподъемных операций (замедление скорости спуска прибора в скважину). 2. Экономические - высокая цена прибора (дорог для контрактного обслуживания и замены); - необходимо наличие высококвалифицированного персонала; - удорожание работ в связи с увеличением временных трудозатрат.

КомплексированиеГрКиВСП Комплексирование ГрК и ВСП В скв. 92 (Ножовская площадь) выполнен комплекс ГрК и ВСП. коэффициент линейной корреляции между плотностью и скоростью распространения продольных волн составил Породы: Т - терригенные К - карбонаты А - ангидриты ТК - терригенно-карбонатные