Микробоковой каротаж (МБК). Зонды, виды диаграмм, решаемые задачи и ограничения метода. Пластовая наклонометрия

ИЗМЕРЕНИЕ КАЖУЩЕГОСЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МИКРОУСТАНОВКАМИ

Метод микрозондов не позволяет точно определить сопротивление промытых пород в скважинах, пробуренных на высокоминерализованном буровом растворе или тогда, когда толщина глинистой корки превышает 1,5 см.

Для таких случаев предложен микробоковой каротаж (МБК или БМК).

Микроустановки с малой глубиной исследования — микрозонды применяются для измерения сопротивления части пласта, непосредственно прилегающего к стенке скважины. Электроды микрозонда размещены на внешней стороне башмака из изолированного материала. При работе башмак с электродами прижимается пружинами к стенке скважины, чем достигаются экранирование зонда от промывочной жидкости и уменьшение влияния ее на результат измерений.

Между башмаком зонда и стенкой скважины имеется промежуточный слой, образованный в проницаемом пласте глинистой коркой и пленкой ПЖ, в непроницаемом — только пленкой. В результате ρк, измеряемое микрозондом, зависит в основном от удельных сопротивлений прилегающей к скважине части пласта ρп, удельного сопротивления слоя ρсл и его толщины hсл.

Применяемые на практике микрозонды делятся на обычные градиент- и потенциал-зонды с нефокусированными электродами и с фокусировкой тока. Каротаж обычными микрозондами называют микрокаротажем (МК), а каротаж микрозондами с фокусировкой тока — боковым микрокаротажем (БМК).

Из распределения токовых линий (рис. 44), выходящих из электродов А и А0 в обычном микрозонде (при МК) и в боковых микрозондах (при БМК), видно, в обычном микрозонде с нефокусированными электродами часть тока проходит вблизи стенки скважины, что обусловливает значительное влияние глинистой корки на величину замеряемого сопротивления. Это влияние возрастает с увеличением сопротивления пласта и толщины глинистой корки. При применении боковых микрозондов с фокусировкой тока токовые линии пересекают слой между башмаком и породой почти под прямым углом, что снижает влияние глинистой корки на кажущееся сопротивление. Этим облегчается задача определения удельного сопротивления части пласта, прилегающей к стенке скважины. Измеряемое кажущееся сопротивление для всех микрозондов вычисляется по (II.5); коэффициент микрозонда определяется экспериментально.

На практике применяются следующие разновидности БМК: двухэлектродный и трехэлектродный боковые микрозонды.

Двухэлектродный боковой микрокаротажный зонд. Этот зонд (рис. 44,6) состоит из двух электродов — центрального А0 и экранного Аэ, которые занимают всю рабочую поверхность башмака, исключая разделяющий их изоляционный промежуток шириной 5 мм, и обладают одинаковыми потенциалами и полярностью. Это достигается автоматическим регулированием тока Iэ, поступающего через электрод Аэ при постоянном токе I0, поступающем через электрод А0. Двухэлектродный зонд БМК является аналогом трехэлектродного зонда БК. Кажущееся сопротивление определяется путем измерения потенциала электрода Аэ(А0) относительно корпуса прибора БМК (рис. 44,6). Стандартные размеры башмака двухэлектродного микрозонда 200x102 мм. При измерениях двухэлектродным микрозондом влиянием промежуточного слоя толщиной до 10 мм практически можно пренебречь. Коэффициент зонда К, определяемый экспериментально, приблизительно равен 0,015 м.

Трехэлектродный боковой микрокаротажный зонд. Этот зонд имеет такие же по форме, как и в двухэлектродном микрозонде, центральный А0 и экранный Аэ токовые электроды, но в отличие от двухэлектродного микрозонда БМК между электродами А0 и Аэ расположен рамочный измерительный электрод М (рис. 44,в). Через основной электрод А0 пропускается постоянный ток I0, а через Аэ — ток Iэ, регулируемый так, чтобы разность потенциалов между А0 и М равнялась нулю. Измеряемое кажущееся сопротивление определяется потенциалом электрода М относительно корпуса прибора, и ρк = КUм/I0.

По условиям регулировки поля тока в данном зонде потенциалы электродов М и А0 сохраняются равными и потенциал экранного электрода Аэ превышает потенциал основного электрода A0. В результате форма токового пучка от электрода A0 вблизи башмака несколько сжимается, а при удалении расширяется. Особенность фокусировки тока и увеличение размеров башмака до 250x120 мм способствуют существенному росту глубинности исследования трехэлектродным микрозондом. Поэтому на его показания не оказывает влияния промежуточный слой толщиной до 20 мм, а замеренное им кажущееся сопротивление определяется удельным сопротивлением в пределах зоны проникновения. В связи с этим измерения, проводимые этим зондом, названы каротажем ближней зоны.

Боковой микрокаротаж основан на регистрации кажущегося удельного электрического сопротивления прискважинной зоны фокусированным микрозондом, установленным на прижимном изоляционном башмаке.

Типовые условия применения:

· скважины необсаженные, вертикальные и слабонаклонные, заполненные пресной или минерализованной жидкостью;

· ограничением в применении метода являются: существенное изменение диаметра и формы сечения ствола скважины, препятствующее плотному прилеганию башмака к стенке скважины, а также наличие раствора в скважине с удельным электрическим сопротивлением менее 0.05 Омּм.

Применение:

· расчленение разреза с высокой точностью;

· определение удельного электрического сопротивления промытой зоны;

· определение эффективной толщины пластов.

ПЛАСТОВАЯ НАКЛОНОМЕТРИЯ

21.1 Пластовая наклонометрия — вид каротажа, предназначенный для определения элементов залегания пород в разрезе скважины.

Результаты пластовой наклонометрии применяют для выделения и определения толщин и элементов залегания (углов и азимутов падения) пластов горных пород с различными литологическими и фильтрационно-емкостными характеристиками, фациального анализа и прогнозирования на этой основе структурных и комбинированных ловушек, оценки достоверности результатов сейсморазведки и выбора мест заложения скважин.

21.1.1 Пластовая наклонометрия может быть реализована в двух модификациях: на основе измерения направления геофизических полей, например электромагнитных (определенными возможностями располагает метод индукционной наклонометрии); на основе реализации метода координат.

Пластовая наклонометрия по методу координат основана на определении ориентации тонкого прослоя по координатам трех или большего числа точек, соответствующих сечению прослоя скважиной, и реализуется путем измерений прижимными датчиками, перемещающимися по нескольким различным образующим стенки скважины в плоскости, перпендикулярной оси скважины. В качестве датчиков используют микрозонды или боковые микрозонды, как наиболее эффективные по простоте, надежности, разрешающей способности, диапазону измеряемых характеристик и скорости измерения.

21.1.3 Ограничения метода — общие для прижимных скважинных приборов. Скорость проведения исследований — не более 800 м/ч.

21.2.1 Комплекс измеряемых и расчетных параметров пластовой наклонометрии должен включать характеристики пород и ствола скважины по глубине:

электрические характеристики пород в прискважинной зоне — значения кажущегося удельного электрического сопротивления к, вычисленные по измеренным потенциалу или току каждого датчика; азимутальное распределение кажущегося УЭС прискважинной зоны; интегральное значение кажущегося УЭС на данной глубине;

элементы залегания пластов — угол и азимут падения, которые рассчитывают с учетом данных о кривизне скважины;

элементы кривизны скважины — угол и азимут наклона, рассчитанные по ортогональным составляющим угла наклона и вектора магнитного поля Земли;

характеристики ствола скважины — радиусы по каждому направлению;

ориентированную форму сечения скважины на данной глубине.

21.2.2 Обязательные требования к скважинному прибору:

наличие не менее четырех прижимных датчиков;

измерение каждым датчиком не менее двух характеристик — электрической (кажущееся сопротивление, потенциал или сила тока) и механической (радиус скважины);

наличие инклинометрического блока (датчики угла и азимута);

согласованные по текущему времени измерения всеми датчиками;

конструкция датчиков должна обеспечивать измерения кажущихся удельных сопротивлений в диапазоне от 0,5 до 150 Ом•м при изменении УЭС промывочной жидкости от 0,05 до 5 Ом•м;

требования к датчикам МК, БМК, инклинометрии такие же, как для отдельно применяющихся приборов (модулей) этих методов (подразделы 14.4, 14.8, и раздел 20).

21.4 Форма представления данных на твердых копиях не регламентируется. Обязательно представление следующих результатов:

кривых измерений всеми электрическими микрозондами с нанесенными линиями основных корреляций;

кривых профилей скважины по данным измерения радиусов;

инклинограммы (угол и азимут кривизны скважины);

наклонограммы (углы и азимуты падения поверхностей раздела пластов по выделенным корреляциям);

обобщенных углов и азимутов падения для отдельных пластов.

На твердых копиях могут быть представлены другие результаты (ориентированные формы сечения скважины, схемы ориентированного положения микрозондов при измерениях, гистограммы, розы-диаграммы и др.).

15. Электрические сканеры и задачи, решаемые с их помощью.

В свою очередь, их хорошо дополняют метод пластового микроэлектрического сканера, основанный на измерении кажущегося электрического сопротивления стенки скважины и метод акустического микро-сканера, позволяющий измерять время прохождения поверхностной волны Стоунли на границе стенки скважины и бурового раствора. Оба этих метода имеют замечательные преимущества перед традиционными методами ГИС и дают возможность получить информации о:

сложнопостроенных коллекторах (выделения и характеристика микрогоризонтов,

определение типов трещин и параметров трещиноватости, оценка проницаемости по

раскрытости и плотности трещин, определение истиной эффективной толщины,

калибрование глубины и направления кернов. Например, в условиях конгломератного

разреза, трещиноватого карбонатного разреза и разреза изверженных пород,);

- структуре месторождения (определение углов падения и азимутов простирания,

структурных несогласий, тектонических нарущений);

- седиментологических особенностях (направление полеотечения, фации и цикла)

- направлении стрессов и т,д,

- контроль технического состояния обсадных колонн.

Пластовый микроэлектрический сканер измеряет микро-сопротивления нород стенки скважины кнонкообразными электрическими датчиками (микро-электродами), расположенными на рычагах в определённых рядах. При проведении измерений все рычаги тесно прижимаются к стенке; при этом регистрируются сила и напряжение электрического тока, отражающие изменение микро-сопротивления околоскважиных пород.

Предназначен для определения азимутального распределения удельного электрического сопротивления горных пород в скважине зондовой установкой фокусированного бокового каротажа.

16. Индукционный каротажа (ИК). Двухкатушечный зонд. Токи Фуко. Связь ЭДС в приемной катушке с проводимостью среды. Компенсационная катушка. Обозначение индукционных зондов.

Измерения при индукционном каротаже производятся с помощью спускаемого в скважину глубинного прибора, состоящего из индукционного зонда и электронной схемы (рис. 48,а). В наиболее простом виде индукционный зонд содержит две катушки (двухкатушечный индукционный зонд): генераторную (возбуждающую) Г и измерительную И, расположенные на определенном расстоянии друг от друга на непроводящем стержне. Электронная схема прибора обеспечивает питание генераторной катушки постоянным по величине переменным током высокой частоты — 20—80 кГц, усиление и преобразование сигнала измерительной катушки. Переменный ток, протекающий по генераторной катушке, создает переменное магнитное поле H1 (прямое или первичное), индуцирующее в окружающих породах вихревые токи. В однородной среде силовые линии тока представляют собой окружности с центром по оси скважины (если ось глубинного прибора совпадает с осью скважины). Эти токи в свою очередь создают переменное магнитное поле в породе, называемое вторичным H2 (рис. 48.6). Переменные магнитные поля H1 и H2 индуцируют ЭДС Е1 и Е2 в приемной катушке. Из них ЭДС Е1 является помехой и компенсируется вводом в цепь приемной катушки ЭДС Ек, равной ей и противоположной по фазе. Остающаяся в цепи измерительной катушки ЭДС Е2 подается в измерительный преобразователь для усиления и преобразования, после чего по жиле кабеля посылается на поверхность, где и записывается регистрирующим прибором.

Электродвижущая сила вторичного поля Е2 в проводящей среде мала по сравнению с ЭДС прямого поля (Е2 составляет несколько процентов или доли процента от Е1), поэтому выделить и измерить ее трудно. Следует также учитывать, что индуцируемая вторичным магнитным полем Е2 имеет как активную составляющую, тесно связанную с электропроводностью среды, так и реактивную (сдвинутую на 90°), обусловленную магнитными свойствами среды. Если среда характеризуется очень высокой электропроводностью, то возбуждаемые в ней вихревые токи значительны и взаимодействие магнитных полей вихревых токов приобретает существенное значение.

Это приводит к снижению сигнала, регистрируемого прибором индукционного каротажа, и к отставанию активного сигнала от повышения электропроводности. Такое явление известно под названием скин-эффекта.В ИК за единицу удельной электропроводности принимают 1/(Ом·м) или См/м.

Кривая кажущихся удельных проводимостей в индукционном каротаже регистрируется в линейном масштабе (рис. 49). Она соответствует перевернутой кривой кажущихся сопротивлений в практически гиперболическом масштабе. В связи с этим в области низких удельных сопротивлений кривая оказывается растянутой, а в области высоких сопротивлений — сжатой по сравнению с кривыми, записанными в обычном масштабе сопротивлений. Благодаря этому усиливается дифференциация кривой против пород, имеющих низкое удельное сопротивление, и происходит сглаживание ее против пород с высоким удельным сопротивлением. На кривой ИК более наглядно, чем на кривых сопротивлений, выделяется область переходной зоны (ПЗ) (см. рис. 49).

Токи Фуко, как и индукционные токи в простых линейных проводниках, имеют направление, которое подчиняется правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы быть препятсвием изменению магнитного потока, который вызывает вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания , то при включении тока он начинает сильно тормозить и очень быстро останавливается. Этот опыт объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют направление, при котором действующие на них со стороны магнитного поля силы оказывают тормозящее действие на маятник и он быстро останавливается. Этот факт практически применяется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов и механизмов. Если сделать радиальные вырезы в описанном маятнике, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.

Помимо торможения, вихревые токи вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов сердечники трансформаторов изготавливают не сплошными, а из тонких пластин, которые отделены одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их таким образом, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Теплота Джоуля-Ленца, которая выделяеется токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, который помещаем внутрь катушки, в которой течет ток высокой частоты. В металле происходит появление интенсивных вихревых токов, которые способны разогреть его до температуры плавления. Этот способ дает возможность плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.

Возникновение вихревых токов происходит и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно найти по правилу Ленца. На рис. 2а дано направление вихревых токов при увеличении первичного тока в проводнике, а на рис. 2б — при его уменьшении. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они оказывают противодействие изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Значит, вследствие появления вихревых токов быстропеременный ток распределяется по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление стало называться скин-эффектом (от англ. skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически проходят в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.

Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя.

Из всего сказанного следует что в хорошо проводимых породах скин-эффект и токи Фуко больше проявляются тем самым снижает ЕДС на приемной катушке.

Скважинный снаряд для индукционного каротажа включает генераторную, фокусирующую и приёмную катушки, расположенные коаксиально. Переменный электрический ток частотой 10-20 кГц, пропускаемый по генераторной катушке, создаёт магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в горные породы, окружающие скважину. Под действием магнитного поля этих токов (вторичное поле) в приёмной катушке возникает эдс, величина которой зависит от удельной электрической проводимости горных пород. Для устранения влияния магнитного поля генераторной катушки на приёмную применяют компенсирующие элементы (например, катушки, магнитное поле которых направлено противоположно полю генераторной катушки). Полезный сигнал с приёмной катушки поступает на усилитель, расположенный в скважине, затем по кабелю на поверхность, где регистрируется.

Индукционный каротаж используется для изучения удельного электрического сопротивления горных пород, выявления в разрезе нефтеносных пластов, исследования тонкослоистых разрезов (наиболее эффективно в низкоомных разрезах до 50 Ом•м). Преимущество индукционного каротажа по сравнению с другими видами электрического каротажа в том, что питающие и приёмные устройства не требуют непосредственного контакта с буровым раствором и стенкой скважины, это позволяет применять его в сухих или с непроводящим буровым раствором скважинах (например, на нефтяной основе, пресной воде).

6Ф1 – 6 число катушек, Ф – фокусированный, 1 – длина зонда ;

17. Индукционный каротажа (ИК). Основы применения фокусирующих катушек в методе ИК. Радиальная и вертикальная характеристики зондов. Диаграммы метода и правила работы с ними. Возможности, ограничения и решаемые задачи.

Фокусирующие катушки снижают влияние вмещающих пород и зоны проникновения на показания зонда.

Токовые линии при ИК образуют вокруг оси скважины замкнутые окружности, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной к оси прибора. В пластах со слабым наклоном относительно оси скважины токовые линии проходят в одной среде, не пересекая границ пластов. По кривым ИК (рис. 52), полученным зондом 6Ф1 для однородных одиночных пластов конечной мощности, видно, что они симметричны. Середины отклонений кривой при h≥1,5 м соответствуют границам пласта. При h≤1 м кривая имеет вид узкой пики, обращенной к середине пласта, выделение границ затруднено. Для зондов 8И1,4; 4И1; 4Ф1 кривые несимметричны. Это вызвано тем, что середина между главными катушками этих зондов не соответствует точке записи. На диаграммах ИК наиболее четко выделяются пласты малого сопротивления (проводящие), залегающие среди пластов высокого сопротивления.

Характерными (существенными) значениями кривой индукционного каротажа, полученной против пластов конечной мощности, являются показания σк против пласта в интервале, уменьшенном на половину длины зонда со стороны кровли и подошвы. При мощности пласта, равной или близкой длине зонда, отсчитывают экстремальное значение (максимальное или минимальное).

Влияние скважины на показания индукционного каротажа определяется диаметром скважины (ее геометрическим фактором Gc) и удельной проводимостью ПЖ σс. С увеличением dc и σс влияние скважины возрастает. Благодаря фокусировке современных зондов индукционного каротажа влияние скважины на показания ИК сведено к минимуму и становится заметным лишь при высокоминерализованной ПЖ. В этом случае оценка поправки за влияние скважины производится с помощью специальных палеток, представляющих зависимость Gc от dc с учетом в нецентрированных зондах эксцентричного положения зонда (отклонения от оси скважины ε). При этом ε = 2a/dc, где а — расстояние между осью скважины и осью зонда в м. Поправку за влияние скважины Δσс = Gcσс определяют по палетке, зная dc и ε. Значение σк исп, исправленное за влияние скважины, находят алгебраическим сложением величин Δσс и существенного значения σк, отсчитанного против пласта (см. рис. 51,а). Влияние скважины сказывается в большей мере на показаниях, полученных зондом 6Ф1, и в наименьшей—на показаниях зонда 8И1,4.

Влияние вмещающих пород в индукционном каротаже существенно меньше, чем в методах сопротивления. В пластах конечной мощности (менее 3—4 м) существенные значения σк необходимо приводить к показаниям против пластов неограниченной мощности.

Поправочный коэффициент за мощность определяют с помощью палеток, одна из которых изображена на рис. 51, е. С помощью таких палеток определяют кажущееся сопротивление, приведенное к условиям неограниченной мощности пласта ρк∞. В пластах без проникновения фильтрата ПЖ ρк∞ = ρп.

В общем случае для пластов мощностью более 4 м без проникновения ПЖ существенные значения σк, исправленные за влияние скважины и скин-эффекта, могут быть приравнены к его истинной удельной проводимости σп или истинному удельному сопротивлению рп.

Влияние зоны проникновения на результаты ИК фокусирующими зондами невелико при повышающем проникновении. Понижающее проникновение оказывает значительное влияние, начиная уже с проникновения ПЖ на глубину, превышающую три диаметра скважины. С увеличением отношения сопротивления неизмененной части пласта к сопротивлению зоны проникновения влияние понижающего проникновения возрастает. Влияние скважины и зоны проникновения увеличивается во всех случаях с повышением сопротивления пород, слагающих разрез. Это обусловлено характером распределения токовых линий. При ИК зона проникновения и неизмененная часть пласта в первом приближении подключены к «электрической цепи» параллельно, в то время как при БК — последовательно [см. (II.10) и (II.16)]. Очевидно, что на показания ИК большое влияние оказывает среда с малым сопротивлением, тогда как на показания БК — в основном среда большого сопротивления.

Исследовательские характеристики зондов ИК

Область исследования индукционного зонда в радиальном и вертикальном направлениях характеризуется графиками соответствующих геометрических (или пространственных) факторов.

Фактор qr показывает относительное влияние на полный сигнал что при равном сопротивлении наибольшее влияние имеют слои, находящиеся на расстоянии r ≈ 0,5L, наименьшее - в бесконечности (r»L) и вблизи снаряда (r « L). При различной электропроводности вклад каждого слоя в общий сигнал пропорционален произведению его геометрического фактора на электро­проводность.

При равном сопротивлении наибольший вклад в общий сигнал дают слои, расположенные напротив середины снаряда, с удалением слоев от центра снаряда их влияние быстро убывает.

Для уменьшения влияния скважины и зоны проникновения на суммарный сигнал ИК в зонд вводят дополнительные генераторные катушки, называемые фокусирующими. Фокусирующие катушки ФГ включают навстречу основной и поэтому сигнал, который наводится ими в приемной катушке КП, вычитается из сигнала основной генераторной катушки КГ. Скважина практически не влияет на результаты измерений при d<0,4. При диаметре d > 0,4 влияние скважины может быть определено по показаниям против плотных, высокоомных пород.

Зона проникновения при неглубоком (2-4d) проникновении не вносит искажений в результаты измерений.

Вмещающие породы в индукционном каротаже влияют на результаты измерений значительно меньше, чем в методе КС, а для пластов мощностью более 2-4 м (в зависимости от марки зонда) этим влиянием можно пренебречь.

Применение индукционного каротажа

По диаграммам индукционного каротажа можно более точно определить положение водонефтяного контакта и удельное сопротивление водоносных коллекторов низкого сопротивления, более точно изучить тонкослоистые разрезы и т.д.

Плюсы

В отличие от других методов сопротивления в ИК не требуется непосредственного контакта измерительной установки с промывочной жидкостью. Это дает возможность применять ИК в тех случаях, когда используются непроводящие ПЖ (приготовленные на нефтяной основе), а также в сухих скважинах.

Минусы

Благоприятные результаты получают при исследовании индукционным каротажем разрезов пород низкого и среднего сопротивления и при наличии повышающего проникновения фильтрата ПЖ в пласт.

По одной кривой ИК удельное сопротивление пласта можно определить только при отсутствии проникновения фильтрата ПЖ в пласт или при неглубоком проникновении. Поэтому индукционный каротаж применяют в комплексе с другими методами сопротивлений. При комплексных измерениях (ИК, БК, потенциал- и градиент-зондами) возможны более надежное выделение в разрезе пластов-коллекторов и определение их удельного сопротивления ρп, зоны проникновения ρзп и диаметра зоны проникновения D.

Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ). Зонды, связь регистрируемой величины с УЭС горной породы; решаемые задачи и ограничения метода. Радиальное распределение УЭС в пласте-коллекторе.

Метод ВИКИЗ

ВИКИЗ расшифровывается как "высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование".

По своей сути ВИКИЗ является вариантом боковых каротажных зондирований (БКЗ) в индукционном исполнении.

В методе используется принцип частотно-геометрического зондирования, в котором увеличение глубины исследований достигается, во-первых, за счет уменьшения частоты электромагнитного поля и, во-вторых, за счет увеличения длины зонда.

Применяемые частоты - от 800 кГц до 20 МГц. Длины зондов: 0,5;0,7; 1,0; 1,4; 2,0 м.

Изопараметричность толкуется авторами метода как постоянство отношения длины зонда к толщине скин-слоя в однородной и изотропной среде. Напомним, что на глубине скин-слоя происходит уменьшение интенсивности электромагнитного поля в е раз.

Пять зондов различной длины, работающих каждый на своей частоте, поочередно подключаются к измерительной линии. Измеряемая величина в виде цифрового кода передается на поверхность.

ВИКИЗ позволяет более детально изучить строение зоны проникновения и определить сопротивление ее различных частей, включая полностью промытые породы ρпп и зону "водяной оторочки" в нефтенасыщенных коллекторах.

Основные геолого-геофизические задачи, решаемые методом ВИКИЗ

Метод высокочастотных индукционных каротажных изопараметрических зондирований предназначен для исследования пространственного распределения удельного электрического сопротивления пород, вскрытых скважинами, бурящимися на нефть и газ.

Использование метода ВИКИЗ позволяет решать следующие задачи ГИС:

— расчленение разреза, в том числе тонкослоистого, с высоким пространственным разрешением;

— оценка положения водонефтяных и газоводяных контактов;

— определение удельного электрического сопротивления неизмененной части пласта, зоны проникновения фильтрата бурового раствора с оценкой глубины вытеснения пластовых флюидов;

— выделение и оценка параметров радиальных неоднородностей в области проникновения, в том числе скоплений соленой пластовой воды («окаймляющие зоны»), как прямого качественного признака присутствия подвижных углеводородов в коллекторах.

В отличие от трехкатушечных зондов индукционного каротажа, в которых измеряются абсолютные значения сигналов на фоне скомпенсированного прямого поля, метод ВИКИЗ, базирующийся на измерении относительных фазовых характеристик, может использоваться для исследования в скважинах, заполненных сильнопроводящим (УЭС менее 0,5 Ом-м) буровым раствором.

Результаты интерпретации диаграмм ВИКИЗ в комплексе с данными других методов ГИС и петрофизической информацией позволяют определять коэффициент неф-тегазонасыщения, литологию терригенного разреза, оценивать неоднородность коллек-торских свойств на интервалах пористо-проницаемых пластов, выделять интервалы уплотненных песчаников с карбонатным или силикатным цементом и др.

Основы теории. Сигналы ВИКИЗ в неородных средах

О фокусирующих системах электромагнитного каротажа

Основная цель электромагнитного (в том числе индукционного) каротажа зак­лючается в возможно более точной оценке удельных электрических сопротивлений пластов. Для достижения этой цели применяются многокатушечные зонды. Параметры зондов выбираются таким образом, чтобы измеряемый сигнал в основном определял­ся УЭС неизмененной части пласта, а влияние скважины и зоны проникновения было относительно небольшим. Такого рода зонды в каротаже принято называть фо­кусирующими.

В индукционном каротаже (частоты до 250 кГц) для проектирования зондов ис­пользуются принципы частотной и геометрической фокусировки, базирующиеся на те­ории обобщенного геометрического фактора. При геометрической фокусировке момен­ты катушек и расстояния между ними подбираются таким образом, чтобы существенно уменьшить вклады (геометрические факторы) скважины и измененной проникновени­ем прискважинной области. Другим, менее распространенным способом фокусировки является измерение двухчастотной разности реальных частей э.д.с. или мнимой состав­ляющей э.д.с. Улучшение радиальных характеристик фокусирующих зондов приводит к увеличению влияния на сигнал вмещающих пород. Особенно это становится заметным, когда мощность пласта сравнима с длиной зонда. Другой особенностью фокусирующих систем является значительное уменьшение уровня измеряемого сигнала. Таким обра­зом, при их проектировании требуется найти компромисс между двумя альтернативны­ми условиями: для улучшения радиальных характеристик необходимо понижать частоту или увеличивать длину зонда, а для улучшения вертикальных характеристик и увеличе­ния измеряемого сигнала необходимо повышать частоту и укорачивать зонд. Все широ­ко используемые зонды индукционного каротажа (6Ф1, 6Ф1М, 8И1.4) спроектированы с учетом этих противоречивых требований.

Принципиально иным является принцип фокусировки переменного электромаг­нитного поля в области высоких частот. Было установлено, что относительная разность амплитуд или фаз, измеренных в двух близко расположенных катушках, очень слабо за­висит от параметров скважины даже на очень высоких частотах (до 15 МГц). Таким об­разом, измерение разности фаз позволяет выполнить сразу два требования: исключить влияние скважины, не утратив при этом хорошего вертикального разрешения. Применение высоких частот приводит к высоким уровням сигналов даже в относительно плохо проводящей (до 120 Ом-м) среде, что расширяет диапазон определяемых удельных электрических сопротивлений.

Эта зависимость является базовой для проектирования изопараметрических зондов. Из представленного выражения видно, что разность фаз в однородной среде будет одинакова и зависит только от УЭС среды, если выполняются два условия:

Трехкатушечные зонды, для которых выполняются эти условия, называются изопараметрическими.

Радиальное распределение УЭС в пласте-коллекторе. (рис че то нет нигде =)

Глинистый низкоомный пласт, вскрытый скважиной. Зона проникновения либо мала, либо совсем отсутствует. При расчете кривых учтено, что глины характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью, которая может влиять на показания двух коротких зондов. КС для всех зондов, кроме самого короткого, совпадают с истинным сопротивлением пласта. На показания самого короткого зонда влияние оказывает скважина. Хорошо проводящий раствор приводит к завышению КС по отношению к истинному(рис.3.2.).

Уплотненный малопроницаемый высокоомный пласт. Зона проникновения мала либо отсутствует. Влияние скважины проявляется практически на всех зондах.

Причем проводящая скважина занижает (до 25%) КС по сравнению с истинным(рис.3.3.).

Водонасыщенный коллектор с повышающим проникновением. Кажущее сопротивление двух коротких зондов определяется УЭС зоны проникновения.

УЭС раствора практически не влияет на показания четырех длинных зондов.

Сильно проводящий раствор снижает КС для самого короткого зонда примерно на 7%. Показания двух длинных зондов близки к истинному сопротивлению пласта(рис.3.4).

Нефтенасыщенный коллектор с повышающем сопротивлением. Кривые зондирования отражают истинное распределение УЭС. КС двух коротких зондов рисуют УЭС зоны проникновения. Влияние хорошо проводящего раствора (до 0,02 Омм) проявляется в снижении КС двух коротких зондов на 12%. Показания двух длинных зондов близки между собой и УЭС незатронутой части пласта. В этой ситуации также, как и в предыдущем случае возможно проведение достоверной оценки качества насыщения(рис.3.5.).

Газовый коллектор с понижающим проникновением. Кривые отражают повышение сопротивления от скважины к неизменной части пласта.

Показания двух коротких зондов близки УС ЗП, в то время как УС двух длинных зондов практически полностью определяют УС пласта(рис.3.6.).

Нефтенасыщенный коллектор с повышающим проникновением и окаймляющей зоной (рис. 3.7). При наличии окаймляющей зоны возможна смена типа кривой зондирования: от монотонной к инвертированной (с экстремумом). При этом кажущиеся сопротивления на коротких зондах существенно ниже, чем УЭС зоны проникновения, но значительно превосходят УЭС окаймляющей зоны. Кажущееся со­противление для длинного зонда совпадает с УЭС пласта.

На рис. 3.8 показаны изменения кривых зондирований при разных положени­ях окаймляющей зоны. По мере удаления окаймляющей зоны от скважины минимум кривой зондирований смещается в область все более длинных зондов. В то же время происходит постепенное увеличение кажущихся сопротивлений для коротких зондов, которые все более приближаются к УЭС зоны проникновения. Окаймляющая зона ди­агностируется минимумом на кривой зондирования. Отметим, что этот признак на­блюдается только при больших контрастах УЭС зоны проникновения и УЭС окаймля­ющей зоны. То есть окаймляющую зону можно выделить на кривых зондирования, если УЭС фильтрата бурового раствора и пластовой воды сильно различаются. На рис. 3.9 приведены кривые зондирования при сравнительно небольшом контрасте ρзп и ρоз. В этом случае кривые становятся монотонно убывающими и на них отсутствует минимум, обусловленный окаймляющей зоной.

19. Диэлектрический каротаж (ДК). Диэлектрические свойства горных пород. Зонды; связь регистрируемой величины с диэлектрической проницаемостью горной породы; решаемые задачи и ограничения метода ДК.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И ПРИНЦИП ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

При помещении любого вещества в электрическое поле электрические заряды, составляющие вещество (электроны, атомные ядра), испытывают влияние этого поля. В результате часть зарядов начинает направленно перемещаться, образуя электрический ток. Другие заряды будут перераспределяться так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов сместятся друг относительно друга, произойдет поляризация вещества. Соответственно по этим двум процессам вещества делятся на проводники электрического тока (металлы, электролиты, плазмы) и диэлектрики. Горные породы под действием электрического поля поляризуются и относятся к диэлектрикам. При наличии поляризации напряженность поля Е в веществе отличается от напряженности Е0 первичного поля Е = Е0/(1+χ), где χ— диэлектрическая восприимчивость, безразмерная величина, характеризующая способность диэлектрика к поляризации.

Для характеристики диэлектрических свойств среды — ее реакции на электрическое поле,— вводится понятие диэлектрическая проницаемость εп=1+χ, измеряемая в фарадах на метр. В вакууме диэлектрическая восприимчивость χ = 0, а диэлектрическая проницаемость ε0=1Ф/м. Диэлектрическая проницаемость εп является одним из физических свойств горной породы и показывает, во сколько раз возрастает емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить ту или иную породу. На практике пользуются безразмерной относительной диэлектрической проницаемостью ε = εп/ε0, показывающей, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества εп больше диэлектрической проницаемости вакуума ε0.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от их состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от частоты электрического поля и температуры. Главные породообразующие минералы имеют малую ε = 4÷10, а вода при 20 °С —80.

Диэлектрическая проницаемость пород в большой степени зависит от их водонасыщенности. Экспериментально установлено, что εв воды мало зависит от минерализации, а следовательно, и от удельного сопротивления воды ρв и снижается с увеличением температуры. С ростом температуры от 0 до 100 °С εв падает с 88 до 55 отн. ед. Для нефти εн=2÷3, соответственно диэлектрическая проницаемость нефтенасыщенной породы εн = 6÷10. В нефтегазонасыщенных коллекторах εн определяется в основном содержанием остаточной воды, так как εв воды во много раз превышает εн нефти, газа и скелета породы. В первом приближении считают, что

На рис. 59, а иллюстрируется линейное увеличение ε с ростом коэффициента водонасыщенности kв для песка, известняка и глин. Высокие значения ε глин (до 50—60) объясняются наличием в них значительного количества связанной воды. Для чистых неглинистых водонасыщенных коллекторов существует также линейная зависимость между ε и kп (рис. 59,б). Таким образом, значения ε, измеренные в скважине, могут быть использованы для прогнозирования характера насыщения коллектора, а при благоприятных условиях — для определения коэффициентов пористости и нефтегазонасыщенности.

Для исследования высокочастотного электромагнитного поля, применяемого при диэлектрическом каротаже, используют трехкатушечный зонд, состоящий из генераторной Г и двух измерительных И1 и И2 (или двух генераторных и одной измерительной) катушек (рис. 60). Расстояние между одноименными сближенными катушками зонда является базой зонда Δz, середина этого расстояния соответствует точке записи; расстояние от удаленной катушки до точки записи называют длиной зонда L. С помощью генераторной катушки в скважине возбуждается высокочастотное электромагнитное поле. Волна, распространяющаяся от источника, частично отражается от стенки скважины, а частично проникает во вмещающие породы.

Волна, распространяющаяся по скважине, быстро затухает, что обусловлено малым диаметром скважины по сравнению с длиной волны (0,3—0,5 м), а также относительно низким удельным электрическим сопротивлением промывочной жидкости (0,7—1 Ом·м). В породах, окружающих источник, волна распространяется на значительное расстояние, которое возрастает с увеличением удельного сопротивления породы. Проходящая волна, скользя по породе вдоль стенки скважины, образует в скважине преломленную (боковую) электромагнитную волну. Скорость ее распространения соответствует скорости распространения колебаний во вмещающих породах.

Для зондов, длина которых в несколько раз превышает диаметр скважины, поле в точке измерений определяется боковой волной. Путь волны от источника до измерительной катушки слагается из участков АВ, ВС, CD и EF. На участках АВ, CD и EF происходят затухания и фазовый сдвиг колебаний, обусловленные электрическими параметрами скважины, а на участках ВС, СЕ — параметрами пород. Наличие двух измерительных катушек при измерении относительных характеристик обеспечивает исключение влияния скважины. Электромагнитное поле в каждой точке пространства характеризуется фазой φ и амплитудой h, которые зависят от частоты электромагнитного поля ω, типа и размеров зонда, а также от электрических свойств ρп и ε окружающей среды. ЭДС, индуцируемая в измерительных катушках зонда, пропорциональна магнитной компоненте поля. При этом могут регистрироваться следующие характеристики высокочастотного поля в точках расположения измерительных катушек зонда, свободные от влияния скважины: Δφ = φ1—φ2, |hz1—hz2|/hz1 |hz1—hz2|/hz2 и др., где hz — амплитуда суммарного поля; z1 и z2 — расстояние до первой удаленной от непарной и второй ближайшей к непарной измерительных катушек; |hz1—hz2| — разностная амплитуда вторичного поля; Δφ — разность фаз первой φ1 и второй φ2 измерительных катушек.

Влияние среды на поле в сильной мере зависит от отношения ωε/σ, т. е. от соотношения между токами смещения и токами проводимости. С повышением частоты влияние проводимости на фазу снижается и при очень высоких частотах практически исключается даже в породах малого сопротивления. Амплитуда в отличие от фазы испытывает влияние проводимости и на высоких частотах.

В приближенных расчетах разность фаз

где aф — фазовая постоянная: aф = ω√εμ (ω= 2πf — частота поля; μ — магнитная проницаемость среды), или

где с = 3· 103 м/с.

При ωε/σ≥1 (породы высокого сопротивления), когда токи смещения преобладают над токами проводимости, фазовая постоянная aф не зависит от проводимости среды, и выражение (III.2) с учетом (III.3) записывается следующим образом:

aф=ω√ε/с) Δz, соответственно

т. е. для определения ε в заданных условиях достаточно измерить величину aф.

При ωε/σ ≤1 (породы малого сопротивления), когда токи проводимости значительно преобладают над токами смещения, диэлектрическая проницаемость ε среды слабо влияет на характеристики высокочастотного поля; амплитуда и фаза поля зависят в основном от электропроводности среды σ.

В зависимости от измеряемых величин ε или σ различают соответственно два вида электрического каротажа: волновой диэлектрический каротаж — ВДК и диэлектрический индуктивный каротаж — ДИК. Диэлектрический индуктивный каротаж не получил пока промышленного применения.

ВОЛНОВОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ

Волновой диэлектрический каротаж проводят в скважине с целью измерения диэлектрической проницаемости ε, используя разные характеристики высокочастотного поля. При этом наибольший практический интерес представляют разность фаз Δφ или (cosΔφ, sinΔφ/2)* и относительная амплитуда вторичного поля (hz1—hz2)hz1 (отношение амплитуды вторичного поля к суммарному. Каждая из них зависит от диэлектрической проницаемости и сопротивления среды.

Рабочая частота при ВДК должна быть такой, чтобы обеспечивалось достаточно ощутимое влияние токов смещения на поле и фазовые характеристики определялись в основном влиянием ε.

При выборе рабочих частот руководствуются также сопротивлением пород, слагающих разрез. В разрезах, сложенных породами с сопротивлением до 10 Ом·м или несколько больше, для измерения Δφ целесообразно использовать частоты в пределах 40—60 МГц, при сопротивлении пород около 100 Ом·м и более можно ограничиться частотами 25—30 МГц.

Длина зонда на частотах 30—60 МГц лимитируется затуханием сигнала в пласте и скважине; в породах с удельным сопротивлением около 5 Ом·м сигнал достаточной величины можно получить зондом длиной до 1,2 м. Разрешающая способность ВДК определяется в основном расстоянием между измерительными катушками (базой зонда Δz). В аппаратуре диэлектрического каротажа АДК-1 применяют зонды с двумя измерительными катушками длиной L = 85÷87 см (И1О, 25И2О, 75Г) на частоте 43 МГц.