Физические основы индукционного каротажа

Содержание

 

Введение………………………………………………………………2

Глава 1.Общие сведения о микрокоротаже ………………………..5

Глава 2. Устройство зондов мк и блок схема измерений………..10

Список литературы…………………………………………………...1

 

Введение

 

Геофизические исследования скважин (ГИС) — это отрасль разведочной геофизики, отличающаяся от других (сейсмо-, магнито-, электро-, гравиразведки, радиометрии и ядерно-геофизических методов) только по методике исследований. Основные положения теории физических полей, измеряемых в скважинах, остаются теми же, что и в полевой геофизике.

Роль и значение ГИС с течением времени постоянно возрастает, т.к. в перспективе ГИС открывают путь к бескерновому познанию скважин. В настоящее время в скважинах регистрируется свыше 35 различных параметров: разнообразные физические свойства горных пород, напряженность многообразных физических полей, технические характеристики состояния самой буровой скважины. При этом стоимость ГИС составляет лишь незначительную часть от стоимости сооружения и оборудования скважины. Так, например, на нефтяных скважинах, где применяется весьма обширный комплекс ГИС, его стоимость не превышает 4% от стоимости буровых работ, обеспечивая при этом экономию до 20% средств, необходимых для оборудования скважины.

В настоящее время буквально все методы полевой геофизики имеют свои аналоги в скважинном варианте и, более того, существуют методы ГИС, не имеющие аналогов среди полевых, например, метод электродных потенциалов, гамма-гамма-каротаж, инклинометрия и др.

Анализ распределения средств на выполнение геофизических работ показывает, что ГИС (свыше 20% средств) уступает в этом отношении только сейсморазведке (около 50% средств) и значительно превосходит все остальные отрасли разведочной геофизики.

Классификация методов ГИС

 

 

Глава 1. Общие сведения о микрокаротаже.

Микрокаротаж предназначен для выделения очень тонких пластов и исследования пород на небольшую глубину, и поэтому размеры микро установок должны быть меньше диаметра скважины. Чтобы скважина, заполненная буровым раствором, имеющим достаточно низкое сопротивление по сравнению с породой, не оказывала сглаживающего влияния на результаты измерений, электроды микрозондов размещают на башмаке, который прижимается к стенке скважины рессорной пружиной. Поскольку размеры микрозондов малы, сфера исследования их ограничивается частью пласта (промытой зоной), непосредственно прилегающей к стенке скважины. Микрозонды применяют в двух вариантах – в виде трех-электродных нефокусированных стандартных зондов и зондов с радиальной фокусировкой (экранированные микрозонды). В первом случае на изолирующей пластине (башмаке) размещают три электрода на расстоянии 25 мм один от другого. Их используют для одновременной регистрации диаграмм двух зондов (рис. 21) – микроградиент-зонда (МГЗ) А 0,025 М 0,025 N с размером АО = 37 мм и микропотенциал-зонда (МПЗ) А 0,05 М с АМ = 50 мм. Регистрируемое микрозондом кажущееся сопротивления вычисляется по формуле ρ = K (∆U / I), а коэффициент микрозонда K определяется экспериментально. Радиус исследования для МГЗ равен его длине (примерно 4 см), а для МПЗ – удвоенной длине зонда (10–12 см).

К породам первого типа относятся фильтрующие коллекторы, Имеющие межзерновую пористость (пески, песчаники, проницаемые карбонатные породы и т. п.). Малым зондом (МГЗ) исследуют в основном глинистую корку, выстилающую стенку скважины в интервале коллектора. Зондом с большим радиусом исследования (МПЗ) изучают не только глинистую корку, но и часть коллектора, расположенную за ней (промытую зону с удельным сопротивлением ρ пп). Поскольку ρгк < ρпп, показания МГЗ меньше показаний МПЗ. Такое превышение сопротивления получило название положительного приращения и характерно для проницаемых пластов. Вторая разновидность пород, выделяемая по кривым МЗ, – это плотные породы, которые не изменяются при контакте с буровым раствором, диаметр скважины dс в них остается равным номинальному dном. За счет шероховатости стенки скважины и, следовательно, неравномерного контакта зонда с породой диаграммы микрозондов в этих интервалах чрезвычайно изрезаны при общем достаточно высоком уровне показаний. К третьему типу относятся глины, которые набухают и размываются при контакте с буровым раствором, образуя значительное увеличение диаметра скважины. Показания МПЗ и МГЗ в этих интервалах практически совпадают и равны сопротивлению бурого раствора. Границы пластов уверенно выделяются по кривым МЗ по наиболее крутому подъему кривых. Диаграммы экранированных микрозондов (см. ниже метод МБК) также позволяют выделять границы пластов с большой точностью. Для оценки удельного сопротивления проницаемой части пласта (промытой зоны ρпп) по результатам измерений МЗ используются специальные палетки, которые составлены на основании модельных расчетов.

Рис.1 Принципиальная схема измерений микрозондами:(http://www.studfiles.ru/html/2706/277/html_gD7hHh1SQM.7rqd/htmlconvd-UaYkc7_html_m25a0683a.gif)

а – общий вид микрозонда: 1 – электроды; 2 – башмак; 3 – кабель;

б – схема записи: Г1, Г2 – приборы для регистрации кривых

Микрозонд КС представляет собой трехэлектродную измерительную установку с небольшими (2,0-2,5 см) расстояниями между электродами. Электроды микрозонда, изготовленые из латунного стержня диаметром 10 мм, размещены на внешней стороне башмака из изоляционного материала. Для исключения влияния скважины на результаты измерений башмак внешней стороной прижимается к стенке скважины управляемым рычажным устройством. В таком микрозонде башмак с электродами шарнирно укрепляется на одной из двух пар рычагов, которые прижимаются спиральной пружиной к стенке скважины любого диаметра с постоянным усилением. Одновременно с кривыми микрозондов это устройство позволяет регистрировать кривую изменения диаметра скважины с глубиной – микрокавернограмму.

Кажущееся сопротивление для микрозондов определяется по обычной формуле:
Однако коэффициенты микрозондов не могут быть подсчитаны, как для обычных зондов, так как размеры электродов сравнимы с расстоянием между ними. Эти коэффициенты определяют по результатам измерений в баке, заполненном раствором NaCl с известным удельным сопротивлением. Коэффициент градиент-микрозонда равен 0,34, а потенциал-зонда – 0,5.

При измерениях между электродами зонда и породой находится промежуточный слой, представленный глинистой коркой или пленкой промывочной жидкости. Он оказывает значительное влияние на показания обычных микрозондов. При микробоковом каротаже применяют микрозонды с фокусировкой тока, благодаря чему влияние промежуточного слоя уменьшается. Практическое применение получил двухэлектродный боковой микрозонд. Он состоит из основного А₀ и окружающего его экранного А_э электродов. Электроды разделены изоляционным промежутком шириной 5мм. Коэффициент этого микрозонда примерно 0.015м.

Малые размеры микрозондов позволяют определять границы пластов разного сопротивления с точностью до 5-10см по резким изменениям кривых КС. Наибольшую информацию о разрезе получают при совместной интерпретации кривых микроградиент- и макропотенциал зонда. Поскольку радиус исследования микроградиент зонда меньше, чем микропотенциал-зонда, то на его показания оказывает большое влияние глинистая корка.

Рис.2 Пример использования кривых микрозондов в комплексе с другими

(http://www.studfiles.ru/html/2706/289/html_OVdUmSdKFc.hfEs/htmlconvd-GtvAt__html_m79e0d729.png)

диаграммами: 1 - песчаник; 2 - глина песчаная; 3 - песчаник глинистый; 4 - песчаник газонасыщенный; 5 - граница газ-вода; 6 - газонасыщенная часть пласта;7 - водонасыщенная часть пласта

Если минерализация пластовой воды выше, чем бурового раствора, то против проницаемого пласта наблюдается так называемое положительное приращение микрозондов Непроницаемые глинистые пласты отличаются близкими значениями мп з и мг з. Непроницаемые плотные породы выделяются сильно изрезанными кривыми КС, а значения составляют (10-30). Обычно микрозондов против коллекторов колеблется от 1.5 до 4.0, кривые сравнительно гладкие за счет глинистой корки.

Резистивиметры

Измерения по стволу скважины называют резистивиметрией, а прибор, с помощью которого она производится, - скважинным резистивиметром. Он представляет собой трех- или четырех-электродный зонд небольшого размера, помещенный в специальный корпус, который позволяет исключить влияние горных пород или обсадной колонны на величину измеряемого сопротивления жидкости заполненным раствором NaCl. Данные резистивиметрии необходимы при интерпретации БКЗ, микрозондирования, для определения минерализации вод и т.п. Резистивиметрия применяется для установления мест притоков подземных вод, интервалов поглощения промывочной жидкости, определения мест нарушения обсадных колонн и типа флюида в действующих скважинах.

Глава 2. Устройство зондов МК и блок-схема измерений

Физические основы индукционного каротажа

Индукционный каротаж (ИК) предназначен для изучения удельной электропроводности горных пород, пересеченных скважиной. Он основан на измерении напряженности переменного магнитного поля вихревых токов, возбужденных в породах полем опущенного в скважину источника.

Индукционный метод принципиально отличается от других методов электрического каротажа, прежде всего тем, что не требует непосредственного контакта зондовой установки с окружающей средой. Если в методах КС и СЭЗ электрический ток распространяется в горные породы от питающих электродов через слои проводящей жидкости, то в индукционном методе электроды как таковые вообще не используются. Поэтому индукционный каротаж позволяет изучать разрезы скважин, заполненных нефтью или жидкостью, плохо проводящей электрический ток. Другой особенностью индукционного метода является характер распределения токовых линий. В однородной среде они представляют собой окружности с центром на оси скважины.

Простейший зонд ИК состоит из двух катушек – генераторной (ГК) и приемной (ПК), расположенных на общей оси, совпадающей с осью скважины (рис.2.28). Расстояние между катушками Lназывается длиной зонда.

Генераторная катушка зонда питается стабилизированным по частоте и амплитуде током, частота которого выбирается в пределах 20-60 кГц. Приемная катушка зонда через усилитель и фазочувствительный элемент подключается к регистрирующему прибору, расположенному на поверхности. Переменный ток, протекающий по генераторной катушке, создает первичное магнитное поле, которое возбуждает в окружающих горных породах вихревые токи.Эти токи в свою очередь создают вторична ное магнитное поле той же частоты, что и первичное. Первичное и вторичное ЭДС, индуцированная прямым полем, компенсируется специальными устройствами. ЭДС,индуцированная вторичным полем, передается по кабелю на поверхность и регистрируется. Расчеты показывают, что величина измеряемого ГК при индукционном каротаже сигнала пропорциональна удельной электропроводности среды:
где - удельная электропроводность пласта в См/м, Е-регистрируемая ЭДС, вольты, Ки- коэффициент зонда, зависящий только от его параметров:
где f и - соответственно частота и амплитуда тока, протекающего по генераторной катушке, - площади витков генераторной и приемной катушек, n и n - числа витков катушек, L - длина зонда. Эта формула, полученная для однородной среды, применяется и при измерении индукционным зондом в неоднородных средах. Измерив Е, определяют.
По аналогии с методом КС величину называют кажущейся удельной электропроводностью. Эта формула справедлива лишь в случае, когда взаимное влияние вихревых токов в горной породе (т.е. эффект распространения электромагнитных волн в проводящей среде) не учитывается. Взаимодействием вихревых токов можно пренебречь, когда частота питающего тока и проводимость среды невелики. В противном случае пропорциональность величин нарушается. Это явление называется скин-эффектом. На рис.2.29 показана зависимость

для зондов разных типов.

Рис. 3 Палетка для исправления показаний индукционных зондов за скин-эффект(http://www.studfiles.ru/html/2706/289/html_OVdUmSdKFc.hfEs/htmlconvd-GtvAt__html_m6ce2de2.png)

В результате индукционого каротажа получается кривая кажущейся электропроводности, записанная в линейном масштабе. Ей соответствует кривая, записанная в гиперболическом масштабе. Она отличается от кривой в обычном линейном масштабе тем, что часть ее, соответствующая низким значениям, сильно растянута, а часть, соответствующая высоким значениям, сжата. Таким образом, различие в показаниях против пластов низкого сопротивления подчеркнуто, а против пород высокого сопротивления сглажено.

На практике среда, окружающая зонд ИК, неоднородна, поэтому величины и различаются: на результаты измерений оказывают влияние вмещающие породы, соседние пласты, скважина и зона проникновения. Чем больше неоднородность среды, тем больше отличаются величины.

Характеристика зондов

Многокатушечный зонд представляет собой систему катушек, укрепленных на одном изоляционном стержне. Генераторная Г и приемная П катушки являются главными, остальные катушки называются компенсационными К и фокусирующими Ф. Компенсационные катушки служат для исключения в приемной катушке ЭДС прямого поля, индуцируемого генераторной катушкой. В зависимости от того, расположены ли фокусирующие катушки внутри или вне главного зонда, фокусировка считается внутренней или внешней. Основной задачей внешней фокусировки является снижение влияния вмещающих пород на показания зонда, а задачей внутренней фокусировки - снижение влияния скважины и зоны проникновения. Многие зонды ИК имеют одновременно внешнюю и внутреннюю фокусировки. Фокусирующее действие катушек достигается путем подбора числа витков и расположения относительно главных катушек. Компенсационные и фокусирующие катушки включаются последовательно с главными, но их витки намотаны противоположно виткам генераторной и приемной катушек.

Для зонда с фокусирующими катушками сигнал равен алгебраической сумме сигналов всех возможных пар измерительных и генераторных катушек зонда. Соответственно с этим усложняется и выражение геометрического фактора для отдельных областей среды.

В общем случае неоднородной среды, состоящей из отдельных областей А, В,..., N с удельными электропроводностями , где - геометрические факторы отдельных областей, на которые разбито пространство, получаемые суммированием геометрических факторов элементарных колец, из которых состоит каждая область.

Зависимость геометрического фактора G бесконечного по длине цилиндра от его радиуса r называют радиальной характеристикой индукционного каротажного зонда. Зависимость геометрического фактора от мощности пласта h называют вертикальной характеристикой индукционного каротажного зонда.

Рис.4(http://www.studfiles.ru/html/2706/289/html_OVdUmSdKFc.hfEs/htmlconvd-GtvAt__html_m43d860d2.png)

Простейшим зондом для измерения силы тока, проходящего в буровом растворе и окружающих скважину породах, служит одноэлектродный зонд. В этом виде исследований, называемом токовым каротажом, один электрод заземлен неподвижно, вблизи устья скважины, а второй - закреплен на кабеле В результате перемещения зонда по скважине регистрируется кривая изменения силы тока.

Рис.5 (http://neosee.ru/origdocs/66/65059/65059_html_64c617eb.png)Различные зонды для электрического каротажа скважин: А, В - питающие электроды, Б - батарея или другой источник питания, R - реостат для регулировки силы тока, I - прибор, измеряющий силу тока, MN - приемные измерительные электроды, - прибор для измерения (регистрации) разности потенциалов, О - точка записи, к которой относят результаты замеров; а - одноэлектродный зонд токового каротажа, б - трехэлектродный потенциал-зонд, в - трехэлектродный подошвенный (последовательный) градиент-зонд, г - трехэлектродный кровельный (обращенный) градиент-зонд

Чаще всего при работах методом КС используются трехэлектродные зонды, в которых три электрода располагаются в скважине (четвертый электрод заземляется на поверхности, вблизи от скважины). Трехэлектродный зонд, состоящий из одного питающего А и двух приемных M и N электродов, называется однополюсным. Трехэлектродный зонд, состоящий из одного приемного M и двух питающих А и В электродов, называется двухполюсным. В обоих случаях расчет КС ведется по формуле метода сопротивления:

,

где - коэффициент, зависящий от расстояния между электродами в зонде;

- разность потенциалов между приемными электродами M и N;

- сила тока в питающей цепи АВ.

В трехэлектродном зонде

или

где AM, AN, MN, MB, NB - расстояния в метрах между соответствующими электродами.

Название зонда складывается из обозначения электродов, расположенных в скважине сверху вниз и расстояний между ними. Например, в зонде А 2 М 0,05 N сверху расположен питающий электрод А, далее в двух метрах - приемный электрод M, а в пяти сантиметрах от последнего - электрод N. Различают потенциал- и градиент-зонды (рис.1, рис.2).

В потенциал-зонде расстояние между приемными MN или питающими АВ (их называют парными) электродами превышает расстояние от непарного электрода А или M до ближайшего парного. Точка записи, к которой относится измеренное кажущееся сопротивление, располагается посередине АМ (точка О).

В градиент-зонде расстояние между парными электродами в пять-десять раз меньше расстояния до непарного. Точка записи находится посередине MN.

Рис.6(http://neosee.ru/origdocs/66/65059/65059_html_m36fa7109.png)

Если парные электроды располагаются выше непарного, то зонд называется кровельным (или обращенным), а если наоборот, то подошвенным (или последовательным).

Расстояние AM у потенциал-зонда и АО (или МО) у градиент-зонда называется размером зонда. Обычно размер зонда меняется от 0,5 до 3 м. Радиус обследования пород вокруг скважины примерно равен размеру зонда.

Иногда используются более сложные 5 - 7-электродные зонды. Благодаря различной комбинации питающих и приемных электродов с помощью этих зондов создаются направленные фокусированные электрические поля, что позволяет точнее отбить границы пластов и определить их сопротивление. Такие зонды используются при боковом каротаже. Для выявления тонких пластов применяются микрозонды.