Індукційне бокове зондування

Вище розглянутий індукційний метод має суттєвий недолік: тут використовується зонд з фіксованими розміром та параметрами первинного поля, що не дає змоги однозначно з’ясувати, чому відповідає зареєстроване значення – свердловині, зоні проникнення або незміненій частині досліджуваного пласта. Тому розробляються інші модифікації ІМ, спрямовані на підвищення ефективності досліджень, – індукційні бокові зондування (ІБЗ).

Існують три варіанти методу ІБЗ: 1) використання набору зондів різної фіксованої довжини; 2) використання одного зонду з рухливою приймаючою котушкою; 3) частотне зондування. Метод ІБЗ з набором зондів різного розміру, заснований на збільшенні глибинності досліджень середовища в радіальному напрямку із збільшенням розміру індукційного зонду (аналог БКЗ).

Інший варіант ІБЗ, запропонований Ю. М. Антоновим, полягає у використанні зонда з генераторною та двома приймаючими котушками, що розташовані на деякій відстані відносно одна одної. Генераторна котушка живиться струмом фіксованої частоти. За нерухомого положення зонда відносно досліджуваного пласта одну з котушок зонду приводять у рух по вісі зонда; при цьому реєструється одна з відносних характеристик електромагнітного поля як функція руху котушки. Можливо також переміщення одночасно з генераторною котушкою одної з двох приймальних із збереженням відношення відстаней між приймальними котушками зонду та загальною його довжиною.

Зазначені дві модифікації ІБЗ, як і звичайний метод БКЗ, відносяться до геометричного зондування і дозволяють вивчати зміну електропровідності зони проникнення фільтрату промивальної рідини в радіальному напрямку.

Третій варіант – частотне індукційне зондування – запропонував С. М. Аксельрод. Відомо, що глибина проникнення струму в середовище залежить від його частоти. Чим меншою є частота струму, тим на більшу глибину проникає сигнал, і навпаки. Використовуючи різні частоти, можна в принципі виконувати частотні зондування розрізу свердловини. Глибинність досліджень можна збільшити шляхом створення спектру різних частот в генераторній котушці зонда. Частотний індукційний метод дозволяє виключити вплив свердловини і зони проникнення, пропускаючи через генераторну котушку одночасно струм двох частот. У приймальній котушці фіксується різниця е.р.с. між сигналом від віддаленої і наближеної зон. Величина цієї різниці е.р.с. залежить від електропровідності пласта. Частотний індукційний метод можна розглядати як метод виміру активної компоненти вторинного поля без впливу струмів у свердловині і зоні проникнення.

ІНШІ НИЗЬКОЧАСТОТНІ ІНДУКЦІЙНІ МЕТОДИ

Теорію низькочастотного індукційного методу з поперечним датчиком, вісь якого перпендикулярна до осі свердловини, розробив А.М. Каганський. Вихорові струми в цьому випадку розташовані в вертикальних площинах, паралельних осі свердловини. Така модифікація цього методу дозволяє вимірювати питому електропровідність порід σ_еф в напрямі, перпендикулярному до їх нашаруванню. При цьому відмічається мінімальний вплив на результати вимірювань електропровідності ρ_{еф t}, паралельній нашаруванню порід.

Реєстрація електропровідності порід, перпендикулярної до нашарування порід, і питомого опору, паралельного нашаруванню і виміряного методами КС, СЗ і ІМ, дозволяє визначати коефіцієнти мікро- і макро- анізотропії пластів. Знання коефіцієнтів анізотропії необхідне при вивченні колекторських властивостей порід і інтерпретації діаграм КС надвеликих зондів.

Для збільшення глибинності дослідження пластів В.П. Соколов запропонував використовувати індукційний метод перехідних процесів по аналогії з методом становлення поля в ближній зоні, що застосовується в електророзвідці. Цей метод заснований на вивченні нестаціонарного електромагнітного поля, що порушується генераторною котушкою. Якщо в деякий момент часу вимкнути струм в генераторній котушці, то первинне електромагнітне поле зміниться від деякого кінцевого значення до нуля. Внаслідок ступінчастої зміни моменту генераторної котушки в навколишньому середовищі індукуватимуться вторинні струми, розподіл яких таке, що вони в перший момент часу (рання стадія становлення) прагнуть зберегти незмінним первинне поле всередині провідного середовища, а потім (пізня стадія становлення) перерозподіляються в просторі, віддаляються від диполя і затухають внаслідок теплових втрат. В ранній стадії становлення поля струми зосереджені в свердловині, в пізній стадії всі вони практично знаходяться в пласті і їх інтенсивність визначається майже цілком електропровідністю пласта. В зв’язку з цим сигнал, що фіксується приймальною котушкою в пізній стадії становлення поля, не залежить від параметрів свердловини і зони проникнення.

З теорії випливає [перше рівняння Максвела], що в початковий момент часу джерелами магнітного змінного поля є струми провідності і струми зсуву. Чим більше питомий опір середовища, тим ширше часовий інтервал, в якому істотну роль грають струми зсуву. В пізній стадії становлення поля в середовищі формується квазістаціонарне поле, тобто струми зсуву зникають. Момент переходу змінного поля в квазістаціонарне поле наступає тим раніше, чим вище електропровідність гірських порід.

Таким чином, застосування індукційного методу перехідних процесів для дослідження свердловин дозволяє визначати дійсну питому електропровідність пластів при вимірюваннях в пізній стадії становлення поля і відносно невеликому розмірі зонда.

ВИСОКОЧАСТОТНІ ІНДУКЦІЙНІ МЕТОДИ

У високочастотних індукційних методах дослідження свердловин використовуються частоти струму живлення генераторної котушки від 0.5–1МГц до кількох десятків мегагерц. За таких частот у відповідності із першим рівнянням Максвелла для гармонічних змінних полів величина корисного сигналу визначається як струмами провідності, так і струмами зміщення.

Високочастотні індукційні методи включають абсолютний, відносний, різницевий і різницево-відносний методи. В абсолютному методі вимірюється амплітуда е. р. с., що виникає в приймальній котушці; у відносному – відношення амплітуд двох сигналів; у різницевому – різниця зсуву фаз або амплітуд складових електромагнітного поля; у різницево-відносному – відношення різниці амплітуд до одної з амплітуд поля.

Серед високочастотних індукційних методів найбільш повно розроблені високочастотний індукційний метод (ВІМ), хвильовий метод провідності (ХМП) та метод високочастотного індукційного ізопараметричного зондування (ВІІЗ або ВІКІЗ – високочастотне індукційне каротажне ізопараметричне зондування). Останнім часом найбільш бурхливого розвитку набув саме метод ВІІЗ.

Звичайний високочастотний індукційний метод

Дослідження низькочастотним індукційним методом порід з питомим електричним опором понад 50 Ом м неможливо із-за низького рівня отримуваного сигналу. Величина е.р.с. вторинного поля зростає зі збільшенням частоти електромагнітного поля, тому для розширення межі виміру опору середовища слід підвищити частоту струму в генераторній котушці. Розрахунки показують, що при мінімальному рівні корисного сигналу, рівного 1% від прямого сигналу, і опорі порід 150-200 Ом м треба збільшити частоту поля до 1-3 Мгц. Проте з підвищенням частоти змінюється і мінімальна величина реєстрованого питомого опору. Так, для трьох котушкового зонда довжиною 1 м при частоті 1,5 Мгц вона складає 1,5-2,0 Ом м. Для визначення питомого опору пластів в більш широкому діапазоні використовують дві частоти: 10-50 кгц для інтервалу опорів 0,3-20 Ом м і 1-3 Мгц – для 10-200 Ом м. Глибинність дослідження високочастотним зондом з поздовжнім датчиком в середовищі з ρ_п = 20 Ом м складає 3,5 м, а при ρ_п = 80 Ом м – більше 4 м. Діаметр зони виключення рівний 0,6 м.

Апаратура високочастотного індукційного методу (ВІК) розроблена в Центральному геофізичному тресті і в Інституті геології і геофізики Сибірського відділення Академії наук СРСР (ІГГ СО АН СРСР) (ВІК-100). Апаратура ВІК складається з трьох основних блоків: генератора, зонда і приймача. В приладі використаний трьох котушковий зонд 3ф1. Робоча частота приладу – 2,8 Мгц. Апаратура ВІК-100 має два канали, які працюють на частотах 1 і 32 Мгц. Канал з частотою 1 Мгц призначений для вимірювання електропровідності порід, канал з частотою 32 Мгц – для вимірювання електропровідності і діелектричної проникності порід. В апаратурі використаний зонд 4Ф1.

Хвильовий метод провідності

Способи вимірювання при хвильовому методі провідності (ВМП) засновані на хвильових уявленнях про розповсюдження електромагнітної хвилі в досліджуваному середовищі. Розглянемо розповсюдження електромагнітної хвилі в свердловині.

Електромагнітна хвиля, утворена генераторною котушкою Г, частково відбивається від стінки свердловини в промивну рідину, частково проникає в гірські породи (рис.8). В свердловині хвиля швидко затухає, а в гірських породах (бічна хвиля), ковзаючи вздовж поверхні розділу свердловина-порода розповсюджується на значну відстань від джерела випромінювання. Якщо довжина зонда у декілька разів більше діаметру свердловини, то величина сигналу в приймальній котушці визначається бічною хвилею. Хвиля від джерела поля до приймальної котушки И проходить шлях, що складається з ділянок АВ, ВС і СD. На цих ділянках відбувається загасання і фазове зрушення коливань. Корисний сигнал, пов’язаний з електричними властивостями порід, формується на ділянці ВС. На ділянках АВ і СD вплив свердловини на амплітуду і фазу поля в точці прийому може бути визначаючим, оскільки фазова постійна і коефіцієнт загасання хвилі в промивній рідині вищий, ніж в гірських породах, тому необхідно вибирати такий спосіб вимірювання вторинного поля, при якому вплив свердловини виключається.

При абсолютному способі вимірювання сигналу вплив свердловини усувається шляхом включення в ланцюг індуктивного зонда додаткових фокусуючих котушок. При відносному способі вимірювання застосовується трьохелектродний зонд з двома приймальними котушками И1 і И2, розташованими одна від одної на відстані ∆Z. Ця відстань називається базою зонда (рис.9, б). Шляхи хвилі від джерела поля до котушок И1 – АВD і И2 – ABF відрізняються на довжину ∆Z. Якщо вимірювати різницю фаз ∆φ хвилі між першою і другою котушками, то вплив свердловини усувається. Різниця фаз ∆φ визначається властивостями порід на ділянці довжиною ∆Z.

Рис.8. Схема розповсюдження електромагнітної хвилі в свердловині. а – двоелементний зонд; б – трьохелементний зонд. И, И1, И2 – вимірювальні котушки	Рис.9. Схеми трьохелементного високочастотного індукційного та діелектричного зондів з двома вимірювальними (а) і двома генераторними котушками (б). Г, Г2 – генераторні основні котушки, Г1 – фокусуюча генераторна котушка

Вплив свердловини можна виключити, якщо вимірювати відношення амплітуд в приймальних котушках. Відношення амплітуд характеризує згасання хвилі на ділянці ∆Z, величина якої залежить від провідності порід.

В даному методі спосіб реєстрації сигналу дозволяє зберегти фокусуючи властивості установки на частотах, рівних десяткам мегагерц, а також при солоних промивних рідинах. Вимірювання кута здвигу фаз або відношення амплітуд напруженості поля за допомогою зонда з двома приймальними котушками дозволяє визначати електропровідність σ_п або діелектричну проникність порід ε_п. При роботі на частотах 1-3 Мгц величина вимірюваного сигналу залежить головним чином від електропровідності середовища (переважають струми провідності). Цей метод дослідження розрізів свердловин отримав назву хвильового методу провідності.

У хвилевому методі провідності реєструється різниця ∆φ, або відношення амплітуд А_z1/A_z2, або відношення різниці амплітуд до однієї з амплітуд поля (A_z2 – A_z2) / А_z1. Ці відношення вільні від впливу свердловини і частково зони проникнення фільтрату промивної рідини.

Хвильовий метод провідності забезпечує достатню глибинність дослідження, яка визначається довжиною зонда – відстанню між генераторною котушкою і серединою приймальних котушок. Вертикальна характеристика залежить від реєструємо величини і бази зонда ∆Z. Породи, які знаходяться в інтервалі між генераторною і найближчою до неї приймальною котушками, на величину сигналу роблять незначний вплив, тому для підвищення глибинності зонда можна збільшувати його розмір до 2-3 м і більше.

Криві різниці фаз навпроти одиночних однорідних пластів обмеженої потужності і різного опору мають асиметричну форму (рис. 0). Відстань між точками переходу i крутого підйому до плавного і від крутого спаду до поступового зниження є дійсною потужністю пласта при довжині зонда меншої або рівнішої потужності пласта. Характерна особливість кривої – екстремальне значення ∆φ: максимальне у випадку пласта високої провідності, мінімальне – при низькій провідності пласта. Якщо потужність пласта менше довжини зонда, в його підошві відмічається максимум при високій провідності і мінімум – при низькій провідності.

Рис. 10. Криві відношення різниці фаз хвильового методу провідності зареєстровані проти пластів з високою діелектричною проникністю (по Д. С. Даєву). 1, 2 - в неоднорідному і однорідному середовищах; 3 - пласт. Зонд И₁0, 2И₂0, 8Г, f = 60 МГц; ε_п = 20; ρ_п = 20 Ом м; ε_вм = 5. ρ_вм = 50 Ом м. а - h = 0,25 м; б - h = 0,5 м; в - h = 1 м; г - h = 2 м. ∆φ' і ∆φ - різниця фаз в неоднорідному і однорідному середовищах.

Хвильовий метод провідності забезпечує вимірювання електропровідності порід в діапазоні 300 - 10 мСм/м (0,3 - 100 Ом м), глибинність дослідження середовища 0,7 - 0,8 м і виділення в розрізі пластів потужністю 0,5 м і більше. Використовувати слід зонди різної глибинності дослідження – И₁0,4И₂0,4Г; И₁0,4И₂1, 8Г при робочій частоті 1 МГц.

Метод високочастотного індукційного ізопараметричного зондування

Існуючим модифікаціям індукційного бокового зондування – геометричному і частотному – притаманний наступний недолік: вимірювані характеристики електромагнітного поля навіть у випадку однорідного ізотропного середовища із постійною електропровідністю не залишаються одними і тими, а залежать від зміни параметрів зондування – довжини зонду і частоти поля, що призводить до хибних уявлень про зміну електропровідності цього середовища і, відповідно, ускладнює інтерпретацію результатів досліджень в свердловинних умовах. Для усунення цього недоліку звичайного індукційного зондування Ю. М. Антонов запропонував метод високочастотного індукційного ізопараметричного зондування (ВІІЗ). Сутність цього методу полягає у тому, що добуток змінних довжин зондів і частот поля ( ) дозволяє зберегти незмінними величини абсолютних характеристик поля – амплітуди і фази – в однорідному ізотропному середовищі з фіксованим значенням електропровідності. Дотримання електродинамічної ізопараметричності, тобто постійності добутку досягається тим, що із збільшенням довжини зонду частота поля збудження зменшується, а із зменшенням – збільшується. Завдяки такій взаємокомпенсації конструктивних параметрів зонду, вимірювані характеристики поля залежать тільки від питомого електричного опору середовища.

До складу зондового пристрою для запису кривих ВІІЗ входять п’ять триелементних геометрично подібних зондів, що складаються з одної генераторної та двох приймальних котушок. Щоб витримати умову електродинамічної ізопараметричності при збереженні різниці фаз у приймальних котушках , необхідно забезпечити геометричну ізопараметричність, тобто постійність відношення бази зонда до його довжини:

, (1)

де: – база і-го зонду (відстань між двома генераторними котушками); – довжина і-го зонду (відстань між головними котушками – зовнішньою генераторною та приймальною).

Вимірюваною величиною в методі ВІІЗ є різниця фаз гармонійного магнітного поля , що визначається просторовим розподілом питомого електричного опору оточуючого середовища. П’ять кривих дозволяють оцінити радіальний градієнт питомого електричного опору і виявляти за цією ознакою пласти-колектори, в яких формується зона проникнення, визначати питомий електричний опір цієї зони, її глибину, а також питомий опір незміненої частини пласта. Методом ВІІЗ вимірюється питомий опір порід у достатньо великому діапазоні – від долів одиниці до перших сотень ом-метрів.

Апаратура і методика ВІІЗ

Метод ВІІЗ є відносно «молодим», і тому відповідна каротажна апаратура ще не набула широкого застосування на виробництві. В таблиці 1 наведені технічні характеристики зондів модуля ВІКІЗ-М в апаратурі АМАК «ОБЬ». Модуль призначений для роботи у відкритих стовбурах нафтогазових свердловин.

Таблиця 1 Характеристики зондів модуля ВІКІЗ-М в апаратурі АМАК «ОБЬ»

Позначення	Довжина L, м	База , м	Частота f, МГц
3Ф0.5 3Ф0.7 3Ф1.0 3Ф1.4 3Ф2.0 3Ф1.0 3Ф1.4 3Ф2.0	0.5 0.7 1.0 1.4 2.0 1.0 1.4 2.0	0.10 0.14 0.20 0.28 0.40 0.20 0.28 0.40	3.5 1.75 0.875 3.5 1.75 0.875

Довжини зондів зменшуються послідовно, починаючи із зонда двометрової довжини; коефіцієнт зменшення дорівнює квадратному кореню з двох. Найкоротший зонд має довжину 0.5 м. Усі генераторні і приймаючі котушки коротких зондів розташовані між генераторною та приймаючими котушками двометрового зонду. ВІКІЗ проводиться в тих самих інтервалах, що і БКЗ, в масштабі глибин 1:200. Реєстрація первинних кривих здійснюється в кутових градусах, які в подальшому переводяться в ом-метри. Приклад переводу даних шкали ВІКІЗ в шкалу ПО наведений на рис.11.

Рис.11. Графік співвідношення між питомим електричним опором гірських порід та різницею фаз гармонійного магнітного поля, що реєструється апаратурою ВІКІЗ.