Типи зондів, які застосовуються

В залежності від співвідношення відстаней між електродами зонди поділяються на потенціал-зонди та градієнт-зонди (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Схематичні позначення потенціал- та градієнт-зондів різних типів із винесенням довжин зондів та точок запису.

Потенціал-зондами називаються установки, в яких відстань між парними електродами (наприклад, M і N) є більшою, ніж відстань між непарними електродами (A і M). У граничному випадку, коли один з парних електродів (наприклад, N) віднесений на нескінченість, потенціал-зонд буде називатися ідеальним потенціал-зондом.

Дійсно, при віднесенні точки (електроду) N на нескінченість () її потенціал буде прямувати до нуля. Тоді отримаємо:

(4.4)

Градієнт-зондами називаються установки, в яких відстань між парними електродами (наприклад, M і N) є набагато меншою, ніж відстань між непарними електродами (A і M). У граничному випадку, коли відстань між парними електродами прямує до нуля, градієнт-зонд називається ідеальним градієнт-зондом.

Розділимо праву і ліву частини виразу (4.4) на відстань між електродами M і N:

(4.5)

При , отримаємо класичне визначення градієнту:

, (4.6)

де .

За кількістю електродів різного призначення, що розташовуються в свердловині, зонди можуть бути однополюсними або прямого живлення (в свердловині знаходиться один живильний електрод A і два вимірювальних – M і N) і двополюсними або взаємного живлення (в свердловині два живильних електроди A і B і один вимірювальний – M). У відповідності з принципом взаємності (див. далі) при збереженні відстаней між електродами зонда даного типу величина , зареєстрована установками прямого і взаємного живлення, буде одна і та сама.

За порядком розташуванням парних та непарних електродів по вісі свердловини зонди поділяються на послідовні та обернені. Зонди, в котрих парні електроди (M, N або A, B) розташовані нижче від непарного (відповідно, A або M), називаються послідовними. Зонди, в котрих парні електроди розташовані вище від непарного, називаються оберненими. Послідовні градієнт-зонди називаються також підошовними, а обернені – покрівельними.

Важливими характеристиками установки є: коефіцієнт зонду (K), довжина зонду (L) та точка запису (O) – точка, до якої відноситься результат запису вимірюваної величини.

В загальному випадку позірний опір гірських порід, виміряний реальним зондом в свердловинних умовах, визначається за формулою:

, (4.6)

де – коефіцієнт реального зонда, величина якого визначається тільки відстанями між електродами.

Для ідеальних установок (потенціал- або градієнт-зондів) маємо:

(4.7)

(4.8)

Тут – коефіцієнт ідеального потенціал-зонда, – коефіцієнт ідеального градієнт-зонда.

Поняттям «ідеальні зонди» користуються для розробки теорії електричних методів. В практиці ГДС при визначенні (за формулою (41)) використовують реальні градієнт- та потенціал-зонди з фіксованими відстанями між електродами. Різниця потенціалів вимірюється в мілівольтах [мВ], сила струму I – в міліамперах [мА], коефіцієнт зонда K – в метрах [м], позірний опір – в омметрах [Ом·м].

Результат вимірювань відносять до певної точки, що називається «точкою запису». Для градієнт-зондів вона знаходиться посередині між парними електродами (M, N або A, B). Для потенціал-зондів точка запису знаходиться посередині між непарними електродами (між A і M).

Важливою характеристикою зонду є його довжина L, що обумовлює радіус (глибинність) досліджень. Більшій довжині зонду відповідає більший радіус досліджень. Для градієнт-зондів за довжину приймається відстань від непарного електроду до точки запису: AO – для однополюсного градієнт-зонду, MO – для двополюсного. Для потенціал-зондів довжиною зонда слугує відстань між непарними електродами – AM.

Рис. 4.2. Деякі схеми комутації електродних установок: а) однополюсний послідовний (підошовний) градієнт-зонд; б) двополюсний послідовний (підошовний) градієнт-зонд; в) однополюсний обернений потенціал-зонд; г) двополюсний послідовний потенціал-зонд. Г – генератор змінного струму, ФЧВ – фазочутливий випрямляч, РП – реєструючий пристрій.

Зонди ПО позначаються великими літерами A, B, M, N у порядку розміщення електродів згори до низу. Між літерами позначаються цифрами міжелектродні відстані в метрах. Наприклад, – однополюсний послідовний градієнт-зонд, у якому верхній електрод A є струмовим, нижче, на відстані 2 м, розташований перший вимірювальний електрод M і, на відстані 0.5 м, – другий вимірювальний електрод N. Другий струмовий електрод B розміщений на значній відстані від зазначених електродів. Розмір такого зонду м, коефіцієнт зонду м.

Принцип взаємності

Принцип взаємності полягає у тому, що при збереженні відстані між електродами зонду і заміни їх призначення (тобто якщо пропускати струм через електроди M і N, а різницю потенціалів вимірювати між електродами A і B) величина позірного опору буде незмінною.

Справедливість принципу взаємності легко продемонструвати на прикладі однорідного ізотропного середовища. Нехай в середовищі з питомим опором знаходиться ідеальний потенціал-зонд AM. Через електрод A пропускається електричний струм силою . Тоді, згідно формули (31), в точці M (вимірювальний електрод) потенціал дорівнює

Змінимо призначення електродів: через електрод M пропустимо струм такої самої сили , а в точці A будемо вимірювати потенціал :

Оскільки і , то .

Коефіцієнт зонду K залишається сталим.

Отже, питомі опори, визначені за формулами і , будуть рівними. Звідси випливає, що зміна призначення електродів не змінює результатів визначення питомого опору , що і є доведенням справедливості принципу взаємності.

Принцип взаємності має велике практичне значення. Наприклад, для проведення комплексних вимірів у свердловинах (методами СП та ПО) вибирається двополюсна схема зонду, за якої завади електромагнітної природи є мінімальними.

Зонди записують за позначеннями електродів і порядком їх розташування у свердловині зверху до низу. Так, наприклад, М2,5А0,25В означає градієнт-зонд двополюсний, підошовний, у якого верхній електрод є вимірним; на відстані 2,5м нижче його розташовано перший струмовий електрод А і на відстані 2,75м – другий струмовий електрод В.

Усередині кожної групи існує ще підрозділ по місцю розташування парних електродів і по кількості живлячих електродів, як показано на рис. 5.3.

У градіїнт-зонда за його довжину приймають відстань від віддаленого електроду до середини відстані між зближеними електродами; у потенціал-зонда – відстань між зближеними електродами, тобто для потенціал-зонда завжди L = AM, а для градиент-зонда L=AO або L=MO.

Окрім градієнт- і потенціал-зондів існують ще так звані "спеціальні зонди", які приведені на рис. 5.4. Так, зонд AMN, у якого AM = MN, з рівною підставою може бути віднесений і до потенціал-, і до градієнт-зонду. Такий зонд називається симетричним, за точку записи приймають точку М.

 

Рис. 5.3. Градієнт- і потенціал – зонди ПО (позірного опору)

 

Рис. 5.4. Спеціальні зонди ПО (позірного опору)

 

Вібір оптимальних зондів

Як було показано вище, зонди методу ПО можуть мати різні розміри, коефіцієнт установки та різне розташування точки запису. Все це призводить до відмінностей у зареєстрованих кривих напроти одного і того самого пласта, а саме: величина амплітуди, форма кривої, положення характерних точок кривої, за якими визначається потужність досліджуваного пласта (рис. 21). Отже, використання різнотипних зондів ПО в різних свердловинах при одних і тих самих умовах вимірів ускладнює співставлення отриманих результатів.

Для порівняння між собою діаграм ПО, отриманих в окремих свердловинах різних площ, або регіонів, із специфічними геологічними умовами та умовами вимірів, розрізи свердловин досліджуються зондом одного і того ж типу та розміру, котрий називається стандартним. Цей зонд повинен задовольняти наступним умовам:

· крива ПО повинна бути достатньо диференційованою, тобто на ній повинна виділятися можливо більша кількість пластів у розрізі;

· на кривій повинні чітко відмічатися границі пластів різних питомих опорів;

· виміряні значення проти окремих пластів не повинні значно відрізнятися від їхнього істинного значення .

 

Рис. 21. Форми кривих різних зондів ПО напроти пласта високого опору в однорідному низькоомному середовищі.

Зазначені вище вимоги суперечать одна одній. Так, при зменшенні довжини зонду () результуюча крива стає більш диференційованою, що дає змогу виділити малопотужні прошарки. Але в той же час крива суттєво спотворюється впливом свердловини та зоною проникнення промивальної рідини і не відображує істинні значення питомого опору гірських порід. Натомість, суттєве збільшення довжини зонду () дає змогу достатньо точно оцінити значення напроти потужних однорідних пластів (), але в той же час це призводить до згладжування кривої , і унеможливлює виділення тонких прошарків.

При виборі стандартного зонду має значення не тільки його розмір, але і тип зонду. Наприклад, за кривими градієнт-зондів впевнено виділяються границі пластів, зокрема, підошва пласта високого опору відмічається на кривій послідовного градієнт-зонда чіткім максимумом, а покрівля – мінімумом (для оберненого градієнт-зонду – навпаки). У той же час, границі того самого пласта на кривих потенціал-зонду будуть виділятися нечітко (і тим гірше, чим тоншим є пласт), але виміряні потенціал-зондом значення будуть більше відповідати істинному питомому опору (і тим краще, чим більш потужним є пласт).

На практиці існують два підходи до вибору стандартного зонду: спосіб аналогій та підбору. Перший полягає у виборі в якості стандартного зонду такої самої установки, яка раніше була ефективно використана на площах, що мають схожі геологічну будову та умови вимірів у свердловинах. Другий спосіб застосовується в умовах відсутності аналогів для досліджуваної площі і передбачає просте випробування різних зондових установок з урахуванням вище викладених вимог та умов вимірювань в свердловинах.

В якості стандартного зонду найбільш часто використовують градієнт-зонд. Так, наприклад, в нафтогазоносних провінціях, розрізи яких складені теригенними відкладами, в якості стандартного зонду найчастіше за все використовують послідовний (підошовний) градієнт-зонд, який дозволяє не тільки розчленовувати розріз на окремі пласти, але і вирішувати таку важливу задачу, як відбиття водонафтового контакту, який чітко відмічається на кривій максимумом, що відповідає підошві нафтонасиченої частини пласта-колектора.

В районах, розрізи котрих представлені карбонатними високоомними відкладами, в якості стандартного використовується потенціал-зонд, за діаграмами якого, як було зазначено вище, можливо більш точно визначити питомий опір потужних високоомних пластів (тобто пластів, потужність котрих ).

Таким чином, виходячи з мінімальної потужності пласта h, який необхідно виділити за діаграмами , підбирають відповідний розмір зонду L.

У деяких випадках, коли досліджуваний геологічний розріз є достатньо неоднорідним як за потужністю пластів, так і за їх літологією (теригенно-карбонатний розріз), в якості стандартних доводиться вибирати одночасно два зонди – градієнт- та потенціал-зонд.

У більшості нафтогазоносних провінцій (наприклад, Західно-Сибірській, Дніпрово-Донецькій, Передкавказькій та ін.) в якості стандартного застосовується послідовний градієнт-зонд в однополюсному A2M0.5N, або двополюсному M2A0.5B варіантах, та потенціал-зонд A0.5M8N.

Обраний стандартний зонд залишається незмінним в процесі вивчення геологічної будови даної площі (родовища).

Принцип і методика запису діаграми ПО стандартним зондом

Сучасна апаратура дозволяє виконувати каротаж стандартним зондом у комплексі з іншими методами ГДС. Одночасний запис кривих ПО і СП прийнято називати стандартною електрометрією. На рис. 22 наведені найбільш типові схеми одночасного запису діаграм СП та ПО.

Зонди живляться змінним стабілізованим струмом . В каналі виміру вимірювана різниця потенціалів фільтрується фільтром Ф₁, перетворюється фазочутливим випрямлячем ФЧВ та реєструється в одиницях виміру питомого електричного опору згідно встановленого масштабу запису n_ПО. В каналі виміру потенціалів самочинної поляризації ΔU_СП, після фільтрації фільтром Ф₂ змінної складової сигналу, реєструється зміна значень потенціалу електрода М по відношенню до потенціалу електрода N (для двополюсних модифікацій стандартного зонда), або потенціалу електрода N' (для однополюсних модифікацій). Постійна різниця потенціалів, що обумовлюється електродними потенціалами, компенсується за допомогою компенсатора поляризації КП. Крива самочинної поляризації реєструється згідно встановленого масштабу запису n_СП.

 

Рис. 22. Схеми одночасного запису діаграм стандартної електрометрії: а) однополюсним оберненим градієнт-зондом; б) двополюсним послідовним градієнт-зондом. Г – генератор змінного струму в лінії АВ; Ф₁ та Ф₂ – фільтри в лініях ПО та СП відповідно; ФЧВ – фазочутливий випрямляч; КП – компенсатор поляризації; N' – електрод порівняння для запису кривої СП.

На практиці при одночасному записі кривих ПО та СП вибір відповідних масштабів запису (n_ПО [Ом·м/см] та n_СП [мВ/см]) виконується за наступним алгоритмом:

· масштаб запису n_СП кривої СП встановлюється за відхиленням реєструючого пристрою на см при подачі в канал реєстрації відомої різниці потенціалів: ;

· масштаб запису n_ПО кривої ПО встановлюється за відхиленням реєструючого пристрою на см при подачі в канал реєстрації таких значень струму та різниці потенціалів , які відповідають показанням певного зонда з коефіцієнтом К в середовищі з відомим питомим опором : .

Масштаб запису кривої вибирається таким, щоб можна було встановити значення опору з точністю до 5% від вимірюваної величини ПО, а відхилення кривої від нульової лінії повинно бути не меншим за 1 см. При аналоговій реєстрації кривої ПО вибирається лінійний масштаб запису в Ом·м/см, кратний п’яти: 5, 25, 125 Ом·м на 2 см шкали . Оскільки розміри каротажної діаграми є обмеженими, то при широкому діапазоні зміни значень ПО зареєстрована крива може не поміститися на діаграмному полі при заданому масштабі запису. Тоді масштаб запису загрублюють у п’ять разів по відношенню до попереднього.

У випадку цифрової реєстрації значень ПО проблеми переносу масштабів не існує. Точніше кажучи, діапазон реєстрації (власне, як і роздільна здатність, і швидкість переміщення приладу) визначається технічними характеристиками аналого-цифрового перетворювача. Тим не менш, при наступній обробці та візуалізації діаграмного матеріалу (роздруківці на широкоформатних принтерах, плотерах та ін.) практично завжди користуються описаним вище прийомом відображення діаграм методу позірного опору.

Вертикальний масштаб глибин при запису стандартним зондом у нафтогазових свердловинах зазвичай вибирається 1:500. Швидкість запису кривої ПО (швидкість переміщення каротажного зонду в свердловині) може сягати 3000-4000 м/год в залежності від умов вимірів.

Стандартна електрометрія завжди виконується по всьому стовбуру свердловини (від вибою до гирла) в єдиному масштабі глибин.

Область застосування та вирішувані задачі

Стандартна електрометрія виконується, як правило, в усіх свердловинах різного призначення, а в нафтогазових входить до обов’язкового комплексу методів ГДС. Метод ПО є основним методом, який застосовується при вивченні геологічних розрізів незакріплених свердловин, що заповнені електропровідною промивальною рідиною, на нафтових, газових, вугільних, рудних родовищах, при пошуках прісних і термальних вод, при розв’язанні інженерно-геологічних задач.

Сумісна інтерпретація даних методів ПО стандартним зондом та СП являє собою основу всіх геологічних побудов, що пов’язані із вивченням глибинної будови території: виділенням границь пластів, уточненням стратиграфічних меж, побудовою геолого-геофізичних розрізів, кореляційних схем та ін. Крім того, за результатами оперативного аналізу даних стандартної електрометрії в геологічних розрізах свердловин виявляють інтервали, в яких можуть вміщуватися ті чи інші корисні копалини (нафта, газ, вугілля, руди, вода та ін.), і в яких у подальшому необхідно проводити раціональний в даних умовах комплекс методів ГДС в більш детальному масштабі глибин.