Низькочастотні індукційні методи

Низькочастотні індукційні методи включають звичайний індукційний метод з поздовжнім датчиком, індукційний метод з поперечним датчиком, індукційний метод перехідних процесів, частотний індукційний метод та ін.

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ІНДУКЦІЙНИХ МЕТОДІВ

Індукційні методи застосовуються для дослідження вторинного електромагнітного поля середовища, е.р.с. якого прямо пропорційна електропровідності гірських порід. Вторинне електромагнітне поле виникає у навколишньому середовищі за рахунок вихрових струмів, що індукуються при пропусканні через генераторну котушку змінного струму.

Індукційні методи принципово відрізняються від усіх методів стаціонарного і квазістаціонарного електричного поля насамперед тим, що для утворення вторинного електромагнітного поля в гірських породах не потрібно забезпечувати безпосередній (гальванічний) контакт зондової установки з навколишнім середовищем. Якщо в методах ПО та ОЕЗ електричний струм розповсюджується в гірські породи від живлячих електродів через шар провідної промивальної рідини, то в індукційних методах електроди, як такі, відсутні, і вторинне електромагнітне поле формується в гірських породах за рахунок індуктивного зв’язку первинного електромагнітного поля з середовищем, що оточує свердловинний прилад. Тому індукційні методи дозволяють вивчати розрізи сухих свердловин та свердловин, що пробурені з використанням промивальної рідини на нафтовій або іншій основі, яка погано проводить електричний струм, а також свердловини, повністю заповнених нафтою.

Іншою особливістю індукційних методів є характер розподілу вторинних струмів, індукованих генераторною котушкою в гірських породах. Їх струмові лінії лежать у площинах, які перпендикулярні до осі генераторної котушки. В однорідному середовищі лінії вихрових струмів являють собою кола з центром на осі котушки. Якщо вісь свердловини є перпендикулярною до поверхонь нашарувань гірських порід (наприклад, вертикальна свердловина, що розкриває горизонтально-шаруватий розріз), то за умови паралельності осей генераторної котушки та свердловинного приладу при такому характері розповсюдження струмових ліній можливо більш точно визначити істинний питомий опір (провідність) окремих пластів. При цьому вплив електропровідності вміщуючих порід на показання індукційних методів значно зменшуються.

Найпростіший зонд індукційного методу може бути складений з двох котушок – генераторної та приймальної (вимірювальної), розташованих в свердловині (рис.1, а). Відстань між серединами котушок є довжиною індукційного зонда L. Генераторна котушка зонда підключена до генератора змінного струму і живиться стабілізованим за частотою та амплітудою струмом. Приймаюча котушка зонда через підсилювач і фазочутливий елемент підключена (через каротажний кабель) до реєструючого приладу, розташованого на поверхні. Змінний струм, що протікає в генераторній котушці, створює первинне змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, індукує в оточуючому середовищі вихрові струми, що формують вторинне змінне магнітне поле тієї ж частоти, що і первинне поле (рис.1, б).

Рис.1. Будова та принцип роботи найпростішого двокотушкового індукційного зонда: а) схематична будова зонда; б) схема формування первинного та вторинного електромагнітних полів. 1 – генераторна котушка; 2 – вимірювальна котушка; 3 – генератор; 4 – підсилювач; 5 – фазочутливий випрямляч; L – довжина зонда; І – напрям ліній струму в елементарному кільці гірської породи в поточний момент часу; В₁ та В₂ – силові лінії первинного та вторинного магнітних полів відповідно.

Первинні та вторинні змінні магнітні поля індукують е.р.с. у вимірювальній котушці. Безпосередня дія первинного поля на приймаючу котушку не пов’язана з провідністю гірських порід, тому е.р.с., індукована прямим полем, компенсується додатковою е.р.с., рівною первинній за величиною та протилежною за фазою, із використанням додаткових котушок або спеціальних електронних пристроїв. Зазвичай на практиці напруга компенсації підбирається при розташуванні зонда індукційного каротажу в повітрі, подалі від предметів з високою провідністю.

Електрорушійна сила, обумовлена вторинним полем і наведена в приймальній котушці, має дві складові – активну та реактивну. Реєструючим приладом фіксується сигнал активної складової е.р.с., що найбільш тісно пов’язана з електропровідністю навколишнього середовища.

У випадку малої провідності середовища е.р.с. активної складової є прямо пропорційною її електропровідності. Зі збільшенням електропровідності середовища е.р.с. активного сигналу збільшується повільніше і за більш складним законом. Порушення пропорційності між величиною активного сигналу і електропровідністю середовища пов’язане з взаємодією вихрових струмів. Це явище називається скін-ефектом. Чим вищою є частота струму і електропровідність середовища, тим значніша взаємодія вихрових струмів, і суттєвіший вплив скін-ефекту на показання індукційного методу.

Активний сигнал фіксується на поверхні вимірювальним пристроєм у вигляді діаграми, що відображує зміни електропровідності порід за розрізом свердловини. Точкою запису кривою є середина відстані між центрами генераторної та приймальної котушок.

В індукційних методах дослідження свердловин фактично вимірюється деяке значення питомої електропровідності – ефективна питома провідність σ_еф, – що залежить від провідності пласта, промивальної рідини, вміщуючих порід, діаметру свердловини, потужності пласта, а також розміру та конструкції зонда. В зв’язку із цим, ефективна електропровідність σ_еф в загальному випадку відрізняються від істинної питомої електропровідності досліджуваного пласта σ_п. Одиницею вимірювання електропровідності порід являється См/м – величина, обернена Ом·м.

Вирішення прямої задачі індукційних методів полягає в отриманні залежності виміряної е.р.с. електромагнітного поля від електропровідності середовища, його геометрії та параметрів зонда. Наближена теорія низькочастотного індукційного методу вперше була розроблена Х. Г. Доллем в 1949 р., потім вона отримала розвиток в роботах С. М. Аксельрода, А. А. Кауфмана та інших дослідників. В основі наближеної теорії Доля лежить припущення про те, що при досить високому питомому опорі порід та низький частоті електромагнітного поля можна знехтувати взаємодією струмів, що індукуються в провідному середовищі. Тому фаза струмів є постійною і складає 90º на будь-якій відстані від генераторної котушки, і сигнал, що вимірюється, є сумою окремих сигналів, утворених різними ділянками середовища. При чому кожен доданок являється функцією тільки питомої провідності окремої ділянки. Формули, отримані на основі цієї теорії, є асимптотичними. Вони є справедливими при хвилях великої довжини у порівнянні з радіусом свердловини, потужністю пласта та діаметром зони проникнення.

Ці припущення є справедливими лише тоді, коли частота струму живлення та електропровідність середовища порівняно невеликі. При високій частоті струму або великій електропровідності порід явище скін-ефекту суттєво змінює характер розподілення електромагнітного поля, і в цьому випадку при вирішенні прямої задачі необхідно використати строгу теорію.

Наближена теорія низькочастотних індукційних методів дозволяє порівняно просто встановити залежність ефективної питомої електропровідності досліджуваного середовища від електропровідності окремих його складових, їх розмірів і положення відносно індукційного зонда, а також наочно представити фізичну сутність цього методу. За допомогою наближеної теорії можливо шляхом елементарних розрахунків вирішити пряму задачу індукційного методу для випадку плоских та циліндричних поверхонь розділу між середовищами.