Принцип вимірів питомого електричного опору гірських порід в свердловинних умовах. Класифікація зондів ПО

Розрахований за формулами (38)-(40) питомий опір буде відповідати істинному питомому електричному опору лише у випадку однорідного ізотропного середовища. Але середовище, що оточує вимірювальний прилад в свердловині, не являється однорідним та ізотропним. Питомий опір середовища змінюється як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках. Тому питомий електричний опір реального неоднорідного середовища, розрахований за формулами для однорідного ізотропного середовища, буде являти собою не істинний, а позірний опір (ПО).

Позірний питомий електричний опір – це істинний питомий опір такого фіктивного однорідного ізотропного середовища, в якому при постійних відстанях між електродами зонда і постійній силі струму виникає така сама різниця потенціалів, як і в досліджуваному неоднорідному середовищі.

Виміри позірного опору в свердловині проводяться за допомогою так званих звичайних зондів ПО – приладів, що складаються з чотирьох електродів. Зазвичай три електроди знаходяться безпосередньо в свердловині, а четвертий заземлюється на поверхні (див. рис. 20). Два електроди A і B слугують для створення електричного поля і називаються струмовими або живильними, електроди M і N призначені для вимірів потенціалів наведеного електричного поля та називаються вимірювальними або приймальними. Однотипні електроди (A, B та, відповідно, M, N) називаються парними. Відстань між електродами вимірюється в метрах.

В залежності від співвідношення відстаней між електродами зонди поділяються на потенціал-зонди та градієнт-зонди (рис. 19).

Рис. 19. 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, згідно виразу (33), при віднесенні точки (електроду) N на нескінченість ( ) її потенціал буде прямувати до нуля. Тоді отримаємо:

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 (34) на відстань між електродами M і N:

При , отримаємо класичне визначення градієнту:

,

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:

, (41)

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

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

(42)

(43)

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. 20. 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.

§11. СТАНДАРТНА ЕЛЕКТРОМЕТРІЯ (СТАНДАРТНИЙ КАРОТАЖ)

Стандартний зонд

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.

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

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 .

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).