Применение электроразведки при решении задач исследования скважин

Применение электроразведки при решении задач исследования скважин

Министерство образования и науке РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Уральский Государственный Горный Университет

Институт геологии и геофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Применение электроразведки при решении задач исследования скважин»

Преподаватель: Петряев В.Е.

Студент: Терещенко П.Ф.

Екатеринбург - 2014

Содержание

Введение

. Электрические свойства горных пород

. Электрические методы исследования скважин

Заключение

Введение

Геофизические методы исследования скважин служат для получения геологической документации разрезов скважин, выявления и промышленной оценки полезных ископаемых, осуществления контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений, изучения технического состояния скважин и т.д. С этой целью по данным ГИС изучают в скважинных условиях физические свойства горных пород. Основным документом для геологической службы является литолого-стратиграфическая колонка, полученная по результатам интерпретации материалов ГИС и содержащая сведения о положении границ пластов и их толщинах, литологической характеристике каждого пласта, о наличии коллекторов, о характере флюида, заполняющего поровое пространство продуктивных пластов (нефть, газ, вода) и др. Львиную долю задач поставленных при исследовании выполняет электроразведка.

Целью данной работы является описание физической сущности электроразведки, возможности применения электроразведки при геофизических исследованиях скважин, разобраны различные методы проведения гис.

.        
Электрические свойства горных пород

Удельное электрическое сопротивление.

Свойство горных пород проводить электрический ток характеризуется их удельной электропроводностью s или величиной, ей обратной - удельным электрическим сопротивлением r

r = 1 / s = RS / L, 

где R - полное электрическое сопротивление образца породы (в Ом); S и L - площадь поперечного сечения (в м²) и длина (в м) образца.

Из формулы следует, что величина r измеряется в оммометрах. Уд. электрическое сопротивление в 1Ом×м равно полному сопротивлению в Ом 1м³ породы с основанием 1м² и высотой 1м, измеренному перпендикулярно к плос-кости куба. Уд. сопротивление горной породы определяется уд. сопротивлением твердой фазы, жидкостей и газов, насыщающих поровое пространство, их объемным соотношением, характером распределения в породе и температурой.

Удельное сопротивление твердой фазы пород зависит от ее минера- логического состава и температуры. Минералы весьма разнообразны по своему уд. сопротивлению, которое изменяется в широких пределах (10^-6 - 10¹⁵ Ом×м). Однако основные минералы, образующие скелетную часть твердой фазы осадочных пород, (кварц, полевые шпаты, кальцит, слюды и др.), характе-ризуются уд. электрическим сопротивлением от 10¹⁰ до 10¹⁵ Ом×м и практи-чески не проводят электрического тока [12,24].

Присутствие в скелетной части твердой фазы полупроводящих минералов (графит, пирит, магнетит и др.) снижает ее уд. сопротивление в зависимости от их количественного содержания и характера распределения. В природных условиях содержание в осадочных породах минералов повышенной электро-проводности невелико и, как правило, не приводит к существенному изменению уд. сопротивления скелетной части. В связи с этим ее r принято считать практически бесконечным.

Пластовые поровые воды представляют собой растворы солей (электролиты) и относятся к классу ионных проводников. Их уд. сопротивление зависит от химического состава растворенных солей, концентрации и температуры. С увеличением общей концентрации солей уд. сопротивление растворов уменьшается. При этом электропроводность раствора приблизительно равна сумме электропроводностей, обусловленных каждой из солей в отдельности. В пластовых водах обычно преобладает содержание хлористого натрия, которое достигает 70-95%. Если содержание других солей не превышает 10%, то для практических целей уд. сопротивление пластовой воды оценивается по общей концентрации, приравненной к концентрации NaCl. Следует отметить, что уд. сопротивление водных растворов с увеличением температуры закономерно уменьшается.

Для определения r_в обычно используется номограмма зависимости удельного сопротивления растворов NaCl от концентрации и температуры (рис.1). Уд. сопротивление природных нефтей и газов во много раз превосходит уд. сопротивление пластовых вод и соизмеримо с r скелетной части твердой фазы пород. Практически электропроводность нефтей и газов принимается равной нулю.

Рис.1. Удельное сопротивление раствора NaCl при различной температуре

Удельное сопротивление неглинистых пород. Горные породы проводят электрический ток в основном за счет наличия в их поровом пространстве водных растворов солей. В связи с этим уд. сопротивление неглинистой породы r_вп гранулярного строения, поры которой полностью насыщены водой, зависит r_в этой породы, ее количества и характера распределения в породе, определяемых соответственно коэффициентом пористости К_п и структурой порового пространства.

Для исключения влияния уд. сопротивления пластовой воды вместо r_вп для водонасыщенных пород принято рассматривать величину

Р_п = r_вп / r_в,

называемую относительным сопротивлением. Для чистых (неглинистых) пород Р_п не зависит от уд. сопротивления насыщающих вод, а связано с величиной пористости и структурой порового пространства. В связи с этим его называют также и параметром пористости.

В нефтегазонасыщенной породе нефть или газ, частично замещая в поровом пространстве воду, повышают ее уд. сопротивление. В этих условиях r_нг зависит от содержания в ее порах нефти, газа и воды, характера их распространения в поровом пространстве, минерализации пластовой воды, пористости и структуры порового пространства и т.п. Для полного или частичного исключения этих факторов, влияющих на величину r_нг, вместо него рассматривают отношение

Р_н = r_нг / r_вп > 1,

где r_нг - уд. сопротивление породы, поры которой заполнены нефтью (газом) и остаточной водой; r_вп - уд. сопротивление той же породы при условии 100%-ного заполнения ее пор водой.

Величина Р_н показывает, во сколько раз увеличивается уд. сопротивление породы, насыщенной нефтью или газом при частичном заполнении ее пор водой, и называется коэффициентом увеличения сопротивления.

Для неглинистых пород Р_н зависит не только от степени их насыщения водой, но и от характера распределения в поровом пространстве воды, нефти и газа. В связи с этим величина Р_н часто называется параметром насыщения. Между Р_н и К_в существует обратная степенная зависимость.

Так как К_в=1-К_нг (где К_нг- коэффициент нефтегазонасыщенности), то

К_нг = 1 / (1 - К_нг) ⁿ.

Удельное сопротивление глинистых пород. Для глинистой водонасыщенной породы пропорциональности между ее уд. сопротивлением r_вп.гл и уд. сопротивлением насыщающей воды r_в нарушается. Это связано с тем, что электропроводность такой породы определяется не только проводимостью воды, но и поверхностной проводимостью глинистых частиц, точнее, гидратационной пленки, покрывающей их поверхность. Поверхностная проводимость проявляется тем значительнее, чем выше глинистость породы и меньше минерализация насыщающей воды. Вследствие этого относительное сопротивление глинистых пород в отличие от неглинистых зависит не только от их пористости и структуры пор, но и от их глинистости и минерализации насыщающих вод. Относительное сопротивление глинистой породы, соответ-ствующее насыщению высокоминерализованной водой, при которой поверх-ностная проводимость минимальна, называют предельным Р_п.

Удельное сопротивление пород с трещинной и каверновой пористостью. Породы с трещинной и каверновой пористостью весьма разнообразны по составу и строению. Наряду с межзерновой (первичной) пористостью К_п.м значительную роль играют поры вторичного происхождения К_п.вт - трещины, каверны и другие пустоты выщелачивания. Каверны (изолированные и полуизолированные пустоты) заметного влияния на уд. сопротивление пород не оказывают. Наличие трещин, заполненных электролитом, вызывает сущест-венное снижение сопротивления по сравнению со снижением сопротивления, обусловленным межзерновой пористостью такого же объема.

Электрохимическая активность

Электрохимические процессы, протекающие в горных породах, вызывают их поляризацию. К ним относятся диффузионно-адсорбционные, фильтра-ционные, окислительно-восстановительные процессы и процессы, связанные с действием внешнего электрического поля. В зависимости от фактора, вызывающего поляризацию, различают диффузионно-адсорбционную, фильтрационную, окислительно-восстановительную и вызванную электрохимиические активности пород.

Диэлектрическая проницаемость

Вещества, которые поляризуются в электрическом поле и обладают очень малой электропроводностью (практически не проводят электрический ток), называются диэлектриками. Поляризуемость вещества характеризуется диэлектрической проницаемостью

e = 1 + 4p а,

где а - поляризуемость среды.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость e определяется соотношением D/E, показывающим, во сколько раз напряженность электрического поля Е в данном диэлектрике меньше напряженности поля индукции D в вакууме. Диэлектрическая проницаемость является одним из физических свойств горной породы и показывает, во сколько раз возрастает емкость конденсатора, если вместо вакуума между обкладками в качестве диэлектрика поместить данную породу. Она измеряется в фарадах на метр и определяется в виде произведения

e = e_отн e_о,

где e_отн - относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость данной среды превышает абсолютную диэлектрическую проницаемость вакуума e_о. Вакуум обладает наименьшей диэлектрической проницаемостью, равной 10^-9/36p »8,85 10^-12 Ф/м.

Диэлектрическая проницаемость горных пород зависит от их состава, содержания в них твердой, жидкой и газообразной фаз, а также от частоты поля и температуры. Значения e_отн главных породообразующих минералов невелики (4-10), например, в отличие от воды при 20 °С, для которой e_отн достигает 80. Поэтому диэлектрическая проницаемость пород в большой степени зависит от их водонасыщенности. Для нефти e_отн =2-6, а для нефтенасыщенной породы - 6-10.

Зависимость величины e_отн от коэффициента водо- и нефтенасыщенности для пород-коллекторов почти линейно связана с коэффициентом водонасыщенности K_в.

2. Электрические методы исследования скважин

Электрические методы исследования разрезов скважин включают модификации, основанные на изучении электромагнитных полей различной природы в горных породах. Электромагнитные поля делятся на естественные и искусственные. Естественные поля в земной коре обусловлены электрохимическими процессами, магнитотеллурическими токами и другими природными явлениями. Искусственные электромагнитные поля создаются в горных породах генераторами постоянного или переменного тока различной мощности и представляют собой непосредственный результат деятельности человека, направленный на изучение строения земной коры, поиски, разведку и разработку месторождений.

Классификация электрометодов исследования скважин (рис.2) основана на характере происхождения изучаемого электромагнитного поля и его изменении во времени - на частоте. По происхождению методы электроразведки делятся на две большие группы - естественного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте - на методы постоянного, квазипостоянного и переменного поля. Среди методов переменного поля различают низко- и высокочастотные.

Рис.2. Классификация электрических методов исследования скважин

Измеряемые величины: U_ПС - потенциал самопроизвольной поляризации; ρ_к- кажущееся удельное сопротивление; γ_к - кажущаяся удельная проводимость; ε_к - кажущаяся диэлектрическая проницаемость

Для изучения стационарных естественных электрических полей применяются методы потенциалов собственной поляризации горных пород (ПС). Искусственные стационарные и квазистационарные электрические поля исследуются методами кажущегося сопротивления (КС), микрозондирования (МЗ), сопротивления заземления (БК и МБК), методами регистрации тока (ТМ) и потенциалов вызванной поляризации (ВП). Искусственные переменные электромагнитные поля изучаются индукционными (ИК), диэлектрическими (ДМ) и радиоволновыми методами.

Основы теории потенциала электрического поля

Для определения уд. сопротивления горных пород в скважине используется источник тока, создающий в окружающей среде электрическое поле. Допустим, что в неограниченную проводящую среду при помощи электродов А и В вводится ток, создающий в ней электрическое поле (рис. 3). Такое поле тождественно электрическому полю зарядов электродов А и В, помещенных в непроводящую среду. Разница заключается лишь в том, что в электрическом поле заряды неподвижны, а в проводящей среде они находятся в движении, непрерывно возобновляясь источником тока.

Рис.3. Схема ввода тока в неограниченную проводящую среду с помощью заземлений (электродов) А и В

Электрическое поле характеризуется напряженностью Е, которая является вектором, имеющим величину и направление. За единицу напряженности электрического поля принимается вольт на метр (В/м), т.е. напряженность электрического поля, при котором между точками, находящимися на расстоянии 1м, вдоль линии напряженности поля (отражающей ее направление) создается разность потенциалов 1В. Под линией напряженности, называемой чаще силовой линией, подразумевают такую линию, в каждой точке которой вектор напряженности направлен по касательной к ней. Силовые линии соответствуют путям, вдоль которых должен был бы двигаться положительный заряд. При помощи этих линий можно наглядно изобразить силовое поле; при этом густота его линий выбирается пропорционально напряженности.

Работа, совершаемая силами электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из некоторой точки в бесконечно удаленную, численно равна электрическому потенциалу данной точки (с обратным знаком). Потенциал есть величина скалярная и в каждой точке поля имеет вполне определенное значение, поэтому может служить характеристикой поля наравне с напряженностью Е. За единицу электрического потенциала принимается вольт (В) - разность потенциалов между двумя точками при постоянном токе силой 1А, в котором затрачивается мощность 1Вт.

Потенциал электрического поля представляет собой функцию, которая изменяется от точки к точке и убывает в направлении хода силовой линии. В каждом реальном случае можно выделить совокупность точек, потенциалы которых одинаковы. Геометрическое место точек постоянного потенциала называют эквипотенциальной поверхностью. Если путь перемещения заряда замкнут по эквипотенциальной поверхности, то работа электрических сил равна нулю. Известно, что потенциал точечного заряда e в точке, отстоящей от него на расстоянии r,

= e / r = E × r.

Следовательно, эквипотенциальная поверхность с постоянным значением r есть сфера с центром в точечном заряде (см. рис. 4). Между напряженностью поля Е и потенциалом U имеется определенная связь.

Рис.4. Эквипотенциальные поверхности (пунктирные линии) и силовые линии (сплошные). а - точечный заряд; б - два разноименных численно равных заряда; в - два точечных одноименных заряда

Рассмотрим однородное электрическое поле напряженностью Е (рис.5а).

Рис.5. Однородное электрическое поле напряженностью Е (а) и элементарный объем среды (б) с уд. сопротивлением ρ, длиной dr и сечением dS. ∆r -расстояние между эквипотенциальными поверхностямиU₁ и U₂

Расстояние Dr между эквипотенциальными поверхностями U1 и U2 бесконечно мало, следовательно, на всем расстоянии между ними можно считать напряженность поля постоянной. Работа перемещения единичного заряда е на пути dr равна Е×dr. Эта же работа может быть выражена через разность потенциалов начала U2 и конца U1 с обратным знаком:

- U1 = - E × dr.

В неоднородном поле силовые линии не будут прямолинейными, а эквипотенциальные поверхности будут иметь сложную форму. Однако для бесконечно малых участков пространства можно пренебречь кривизной силовых линий и эквипотенциальных поверхностей и на основании предыдущих рассуждений записать:

= - E × dr; E = - dU / dr.

Знак минус указывает, что напряженность Е направлена в ту сторону, в которую действует сила на положительный заряд, т.е. в сторону убывания потенциала.

Величина dU/dr, характеризующая быстроту изменения потенциала при перемещении в направлении, перпендикулярном к эквипотенциальным поверхностям в сторону его увеличения, называется градиентом потенциала и обозначается grad U. Как видно из формулы, напряженность поля - это градиент потенциала с обратным знаком, т.е.

Е = - grad U.

Сила тока I представляет собой физическую величину, измеряемую количеством электричества, перенесенного через данную площадку в единицу времени, независимо от того, в каком направлении и под каким углом к площадке движутся частицы, несущие заряды.

Для учета направления переноса зарядов вводится в рассмотрение вектор плотности тока j, который направлен в сторону положительных зарядов, т.е. в направлении вектора напряженности Е. Под плотностью тока понимается количество электричества, протекающее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока.

Если ток I равномерно распределен по площади S, перпендикулярной к его направлению, то величина плотности тока

= I / S.

В общем случае плотность тока определяется отношением силы тока dI, протекающей через перпендикулярный к направлению тока элемент сечения среды, к площади dS этого элемента

= dI / dS.

Распределение электрического поля в пространстве удовлетворяет двум основным законам: Ома и Кирхгофа, выраженным в дифференциальной форме. Для пояснения закона Ома выделим элементарный объем (рис. 5б) среды с уд. сопротивлением r, длиной dr и сечением dS; через сечение dS и перпендикулярно к нему проходит ток dI, образуя на концах падение потенциала dU. Cопротивление элементарного объема будет dR=r(dr / dS), а падение потенциала на его концах D dU = dI × dr / dS или dI / dS = - 1 / r × dU / dr.

В итоге получаем

= E / r.

Закон Ома в дифференциальной форме выражается так: плотность тока в каждой точке проводника равняется напряженности электрического поля в этой точке, деленной на уд. сопротивление вещества.

Физическая сущность первого закона Кирхгофа в дифференциальной форме заключается в том, что если какой-либо элемент объема не содержит источников, то сила тока, втекающего в этот объем, равна силе тока, вытекающего из него. Этим выражается непрерывность потока токовых линий через любую замкнутую поверхность, не содержащую дополнительных источников тока. Если считать, что входящие и выходящие из данного объема токи имеют разные знаки, то алгебраическая сумма их равна нулю, т.е. эти токи по величине равны. Невыполнение этого условия привело бы к накоплению электрических зарядов в некоторых точках, что исключается.

Закон Кирхгофа в дифференциальной форме записывается в виде следующего уравнения:

j = 0.

Рассмотрим электрическое поле в однородной изотропной среде. Предположим, что имеется такая среда с уд. сопротивлением r. Введем в нее электрод А, из которого вытекает ток силой I. Допустим, что размеры электрода А малы и его можно рассматривать как точечный, а второй электрод удален (теоретически в бесконечность) и не оказывает влияния на электрическое поле вблизи электрода А. При этих условиях линии тока, исходящие из точки А, будут прямыми, а эквипотенциальные поверхности - концентрическими сферами с центром в точке А. В пересечении с плоскостью чертежа эти сферы дают окружность с центром в точке А (рис.6).

Рис.6. Электрическое поле в однородной изотропной среде

Определим потенциал в точке М, расположенной на расстоянии r от источника тока А. Плотность тока j в точке М

= I / 4 p r²,

т.к., если Е=DdU /dr = j ×r, то DdU / dr =p × I / 4p r².

Зная это, потенциал в точке М будет

 r × I ×         dr r × I

Uм = - ----------- = ----------- + C.

 4 p r          4 p r

Так как потенциал в бесконечности равен нулю, т.е. при r = ¥, U = 0, то постоянная интегрирования С = 0. Тогда выражение потенциала в точке М, созданного точечным электродом А, через который протекает ток I, в однородной изотропной среде с уд. сопротивлением r примет вид

м = r × I / 4 p r.

Легко видеть, что если поменять местами точки А и М, т.е. источник тока поместить в точку М и определять потенциал в точке А, то его величина выражается также с помощью этого же уравнения. Это положение справедливо и для неоднородной среды, оно находит важное практическое применение в электрическом каротаже и известно под названием принципа взаимности.

Так, например, если через токовые электроды А и В четырехэлектродной установки AMNB пропускать ток, то при помощи измерительных электродов М и N можно регистрировать разность потенциалов DU между двумя точками этого электрического поля.

Подставляя в формулу вместо r величины АМ или АN, получаем потенциал в точке М:

м = r × I / 4 p AM,

и потенциал в точке N:

= r × I / 4 p AN.

Если считать электроды зонда точечными, то разность потенциалов между его измерительными электродами М и N будет

Все величины, входящие в правую часть формулы, можно измерить и таким образом определить величину уд. сопротивления среды, что и является целью электрического каротажа по методу сопротивлений.

При каротаже разность потенциалов выражается в тысячных долях вольта - милливольтах (мВ), сила тока в тысячных долях ампера - миллиамперах (мА), а расстояния MN, AM и AN в метрах (м), при этом уд. сопротивление будет выражено в омметрах (Ом × м).

Электропроводность и удельное электрическое сопротивление

Электропроводность горных пород не зависит от их минерального состава, т.к. уд. электрическое сопротивление основных породообразующих минералов (кварц, полевой шпат, ангидрит, галит) изменяется от 10⁸ до 10¹⁵ Ом ×м, что соответствует первоклассным изоляторам.

Проводимость основной группы осадочных горных пород (пески, песчаники, известняки, глины), минеральный скелет которых имеет практически бесконечное сопротивление, определяется лишь присутствием природной воды в порах породы (рис.7). Уд. электрическое сопротивление воды на много порядков меньше сопротивления минерального скелета и изменяется от 10^-2 до 10¹ Ом×м.

Рис.7. Удельные электрические сопротивления некоторых горных пород

Проводящая фаза - поровая вода распределяется в породах по-разному. В большинстве случаев она заполняет целиком все поровое пространство независимо от того, мала или велика общая пористость породы. Такие породы являются полностью водонасыщенными (К_в=100 %). На глубине также встречаются породы, поры которых лишь частично заполнены водой. Это нефтеносные и газоносные пласты. Такие породы по уд. сопротивлению r_вп в значительной мере отличаются от водонасыщенных (r_вп), поскольку нефть и газ, как и скелет породы, являются изоляторами (уд. сопротивление их достигает 10¹⁶ Ом ×м).

Пластовые или поровые воды представляют собой сложные растворы электролитов. Концентрация солей в природных водах весьма разнообразна и изменяется от единиц до 300 г/л. Уд. электрическое сопротивление в таких растворов тем ниже, чем выше концентрация солей с и температуры t. Для определения в пользуются экспериментальными графиками r_в= f (c,t), полученными для растворов NaCl (рис. 3).

Буровые растворы, в свою очередь, представляют собой водную суспензию. Различают уд. сопротивление бурового раствора r_с и его фильтрата r_ф - той воды, в которой взвешены минеральные частички. Значение r_ф находится по уд. сопротивлению бурового раствора, зависящему от глинистых или других частиц, взвешенных в растворе.

Т.к. главные породообразующие минералы не являются проводниками электрического тока, проводимость горных пород обеспечивается только присутствующей в порах пластовой водой. Если все поровое пространство насыщено водой, уд. электрическое сопротивление породы r_вп будет пропорционально уд. сопротивлению проводящей компоненты r_в; в то же время оно будет зависеть от объема этой воды, т.е. коэффициента пористости:

r_вп = Р_п × r_в,

где Р_п - параметр пористости породы, зависящий от пористости Кп и типа порового пространства - извилистости поровых каналов или степени цементации породы. Экспериментально выведенная формула связи параметра пористости Р_п с коэффициентом пористости К_п имеет вид Р_п = а / К_п ^m (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость Р_п= f (К_п)

Уд. электрическое сопротивление породы, поровое пространство которой частично заполнено нефтью либо газом (r_нп), отличается от сопротивления этой же породы, насыщенной пластовой водой (r_вп), в Р_н раз; величина Р_н называется параметром насыщения:

Р_н = r_нп / r_вп = r_нп / Рп × r _в.

Рис. 9. Зависимость Р_н= f (К_н)

Параметр насыщения Р_н зависит от коэффициента водонасыщенности К_в (рис. 9).

Характеристика объекта исследования

При проходке скважины различные горные породы, приведенные в контакт с буровым раствором, изменяются неодинаково. Плотные, монолитные с минимальной пористостью породы не претерпевают изменения, и тогда буровой раствор контактирует со средой, физические свойства которой не изменены. Если породы хрупкие, на контакте со скважиной может образоваться слой с частично нарушенной структурой пласта и как бы образованной вблизи скважины зоной искусственной трещиноватости.

Глинистые породы на контакте с буровым раствором, как правило, набухают, размываются и выносятся буровым раствором, в результате чего диаметр скважины в таких интервалах может значительно увеличиться, а на контакте глины с раствором образуется небольшой глубины зона набухшей либо растрескавшейся чешуйками глины.

Изменение пласта-коллектора мощностью h, залегающего среди вмещающих пород с уд. сопротивлением r_вм и обладающего значительными пористостью и проницаемостью, на контакте со скважиной (диаметром d_с) бывает наиболее существенным. Вскрытие коллекторов всегда ведется при условии, что давление в скважине превышает пластовое. Это вызывает фильтрацию жидкости из скважины в пласт (рис. 10).

Рис.10. Схема строения проницаемого пласта, вскрытого скважиной

- коллектор, 2 - глинистая корка, А - стенка скважины, В - граница между зоной проникновения и неизменной частью пласта, h - толщина пласта, h_гк - толщина глинистой корки, d_с - диаметр скважины, D - диаметр зоны проникновения, r_п, r_зп, r_пп, r_вм, r_гк, r_с - удельное сопротивление соответственно пласта, зоны проникновения, промытого пласта, вмещающей породы, глинистой корки и бурового раствора

При этом, если поровые каналы в коллекторе достаточно тонки и представляют собой сетку, как в фильтре, на стенке скважины образуется глинистая корка толщиной h_гк, с удельным сопротивлением r_гк, а фильтрат бурового раствора проникает в пласт, создавая зону проникновения диаметром D с уд. сопротивлением r_зп. Физические свойства в коллекторе при этом значительно изменяются. Неизменная часть пласта уд. сопротивления r_нп или r_вп, где свойства коллектора сохраняются такими же, как до его вскрытия, расположена достаточно далеко от стенки скважины. Вблизи стенки скважины поры породы наиболее сильно промыты фильтратом бурового раствора. Эта зона называется промытым пластом; ее уд. сопротивление - r_пп. Между промытой зоной и неизмененной частями пласта расположена промежуточная зона, называемая зоной проникновения. В этой зоне пластовые жидкости смешиваются с фильтратом бурового раствора, а коэффициент нефте- или газонасыщения изменяется от минимального К_но до максимального в неизменной части пласта (К_н) значения. Неоднородность пласта в радиальном направлении r называется радиальной характеристикой среды.

В некоторых случаях при образовании зоны проникновения в продуктивном пласте происходит значительное осолонение вытесняющего нефть или газ фильтрата бурового раствора. Это приводит к образованию окаймляющей зоны низкого удельного сопротивления.

Коллекторы со сложной структурой порового пространства (трещинные, кавернозные) существенно отличаются от фильтрующих коллекторов с межзерновой пористостью. При вскрытии таких коллекторов трещинами и кавернами поглощается буровой раствор, а не его фильтрат, поэтому глинистая корка не образуется. Зона проникновения раствора и фильтрата в пласт обычно очень велика и не может быть зафиксирована.

Примеры кривых сопротивлений и определение границ и толщин пластов потенциал- и градиент-зондами

Величина кажущегося уд. электрического сопротивления, определяющая форму кривой КС, зависит от мощности пласта, типа и размера зонда, его положения относительно границ пласта. На рис. 13 приведены кривые ГИС, полученные в результате экспериментальных и теоретических исследований для обычных зондов против однородных пластов ограниченной мощности и различного удельного сопротивления. Условно принято считать пласт мощным, если его размер превышает размеры зонда, если его толщина меньше или равна его размерам. Если уд. сопротивление пласта соответственно больше или меньше уд. сопротивления вмещающей среды, то пласт квалифицируется как пласт высокого или низкого сопротивления.

Градиент-зонд. Пласт высокого сопротивления. На кривой КС такой пласт отмечается асимметричным максимумом. При замерах подошвенным градиент-зондом кровля пласта соответствует минимальному сопротивлению, а подошва - максимальному. В действительности для реального зонда граница подошвы пласта фиксируется ниже максимума на половину расстояния между сближенными электродами. Тонкому пласту соответствует максимум со слабо выраженной асимметрией. Кровля его находится против точки наиболее крутого подъема кривой, а подошва - несколько ниже максимума. Ниже подошвы пласта на длину зонда наблюдается повышение сопротивления, вызванное экранным максимумом (рис. 11 а, б).

Рис.11. Кривые сопротивления для однородного пласта с большим (а,б) и малым (в,г) сопротивлениями а, в - подошвенный градиент-зонд; б. г - потенциал-зонд

Пласт низкого сопротивления. Мощный пласт фиксируется на кривой сопротивления асимметричным минимумом. При замерах подошвенным градиент-зондом кровля пласта приблизительно отмечается максимумом, а точнее - ниже него на половину расстояния между сближенными электродами, подошва - минимумом. Для тонких пластов подошва на кривой КС фиксируется по переходу кривой сопротивления от пониженных значений к максимальным (рис. 13 в, г).

При измерениях кровельным градиент-зондом кривые сопротивления являются зеркальным отражением кривых, полученных подошвенным градиент-зондом. Определение границ пласта кровельным градиент-зондом производится по тем же правилам, что и в случае подошвенного, но с учетом обратного хода кривой.

Потенциал-зонд. Пласт высокого сопротивления. Мощный пласт отмечается на кривой КС максимумом, симметричным относительно середины пласта. Его границы проводятся симметрично относительно максимума, кровля - на половину длины зонда выше точки перехода от плавного к более крутому подъему кривой, а подошва - на ту же величину ниже этой точки. Тонкий пласт высокого сопротивления фиксируется снижением сопротивления: некоторое повышение последнего наблюдается выше кровли и ниже подошвы пласта на расстояниях, равных половине длины зонда из-за экранных явлений (рис.11 б).

Пласт низкого сопротивления. Такой пласт на кривой кажущегося сопротивления отмечается минимумом, симметричным относительно середины пласта. Его границы проводятся по точкам перехода от крутого спада к плавному пониженному участку кривой с учетом того, что эти точки смещены относительно кровли и подошвы на половину длины зонда. Таким образом, ширина минимума превышает толщину пласта на длину зонда. Выделение границ тонкого пласта малого сопротивления в этом случае затруднено (рис.11 г).

Пример определения границ пластов высокого уд. сопротивления по фактическим кривым градиент- и потенциал-зондов приведен на рис. 12.

Рис.12. Определение границ пластов высокого уд. сопротивления по диаграммам КС

Пласт: 1 - высокого сопротивления, 2 - низкого сопротивления, 3 - интервалы экранирования

При чередовании пластов, имеющих различные сопротивления, обычное распределение плотности тока в скважине нарушается, происходит перераспределение силовых линий тока и возникают явления экранирования, которые оказывают влияние на величины кажущихся сопротивлений и должны учитываться при интерпретации кривых КС.

На измерения градиент-зондом значительное влияние оказывает соседний пласт высокого сопротивления, расположенный со стороны удаленного электрода. Если расстояние между серединами соседних пластов больше длины зонда, то происходит повышение кажущихся сопротивлений, а если меньше - понижение по сравнению с теми, которые наблюдались бы в случае одиночного пласта (рис. 13).

Против пачки чередующихся пластов большого и малого сопротивлений форма кривой зависит от числа составляющих пачку пластов, их мощности и уд. сопротивления, а также от типа и длины зонда.

Рис.13. Кривые сопротивления для двух пластов, мощность которых меньше длины зонда h, записанные подошвенным градиент-зондом (ρ_п = 10 ρ_с; ρ_{вм =} ρ_с).

Мощность прослоя малого сопротивления для а - в соответственно h; 1,5h; 4h (занижающее экранирование); г - 8h (завышающее экранирование); АМ= 7,5 h; MN = h

Кажущееся уд. сопротивление различно против разных точек пласта. Для определения истинного уд. сопротивления необходимо выбрать наиболее характерные (существенные) значения КС, за которые принято считать среднее r_кср., максимальное r_кmax или минимальное r_kmin и оптимальное r_копт. (рис. 14).

Рис.14. Пример отсчета среднего, максимального и оптимального сопротивлений кровельного градиент-зонда

Среднее значение КС соответствует отношению площади, ограниченной нулевой линией диаграммы и кривой КС против пласта, к его мощности. На практике визуально проводится линия, параллельная нулевой и отсекающая прямоугольник с основанием у нулевой линии, равной мощности пласта. Если площадь полученного прямоугольника равновелика искомой, то высота его соответствует среднему значению КС. Максимальные и минимальные значения КС (экстремальные сопротив-ления) отсчитывают для пластов, уд. сопротивления которых соответственно больше или меньше, чем у вмещающих пород.

По кривой сопротивления, полученной потенциал-зондом, максимальные и минимальные значения КС отсчитывают против средней части пласта. По кривым КС, полученным кровельным и подошвенным градиент-зондами, максимальное значение сопротивления отсчитывают соответственно в кровле пласта и его подошве, а минимальное - у границы пласта, расположенной со стороны удаленного электрода.

Оптимальное значение КС наиболее близко к истинному сопротивлению пласта. Оно соответствует величине r_к в точке, расположенной выше или ниже середины пласта приблизительно на половине длины зонда при использовании соответственно кровельного или подошвенного градиент-зонда. Величина кажущегося уд. сопротивления пласта конечной мощности зависит от его сопротивления, типа зонда, соотношения длины зонда и толщины пласта. Для пласта высокого сопротивления наибольший интерес представляют средние и максимальные величины r_к, измеренные градиент-зондом, и максимальные - потенциал-зондом.

Фактические кривые сопротивления, записанные в скважине, имеют более сложную форму, чем расчетные или полученные на моделях, из-за неоднородности пласта и вмещающих пород, изменением d_скв. и зоны проникновения фильтрата бурового раствора в пласт, угла наклона между осью скважины и плоскостью напластования.

Определение удельного сопротивления пластов горных пород с помощью палеток БКЗ

Результаты расчета кажущегося уд. сопротивления для пласта неограниченной мощности представлены в виде кривых, выражающих зависимость к от различных определяющих его параметров:

для непроницаемого пласта - от уд.сопротивлений пласта r_п и промывочной жидкости r_с, диаметра скважины d и длины зонда Lз;

для проницаемого пласта при наличии зоны проникновения, кроме перечисленных параметров, - от уд. сопротивления зоны проникновения r_зп и ее диаметра D.

Эти кривые называются кривыми бокового каротажного зондирования (БКЗ). Такие кривые, сгруппированные по определенному признаку (двухслойные, трехслойные) и выражающие зависимость r_к / r_с от Lз / d_с для пласта неограниченной мощности, называются палетками БКЗ. Различают кривые БКЗ двух основных типов - двухслойные и трехслойные.

Двухслойные кривые БКЗ рассчитаны для условий, когда проникновение промывочной жидкости в пласт отсутствует. При этом возможны такие случаи:

сопротивление промывочной жидкости, заполняющей скважину, меньше сопротивления пласта (r_с < r_п);

сопротивление жидкости больше сопротивления пласта (r_с > r_п).

Двухслойные расчетные кривые БКЗ сгруппированы в палетки, обозначаемые БКЗ-1А (при r_п > r_с) и БКЗ-1Б (при r_п < r_с). Как видно на рис. 17, кривые палетки БКЗ-1А в своей правой части асимптотически приближаются к значениям уд. сопротивления пласта. Изображенная на палетках кривая А характеризует геометрическое место точек пересечения кривых БКЗ с их правыми асимптотами, кривая В - геометрическое место точек (максимумом и минимумов) кривых. Двухслойные кривые БКЗ обозначают одним относительным параметром r_п /r_с, который называется модулем кривой БКЗ и является ее шифром.

Рис.15. Палетка БКЗ-1А для градиент-зондов при r_с< r_п.

Трехслойные кривые БКЗ рассчитаны для случая проникновения промывочной жидкости в пласт. При этом в примыкающей к скважине части пласта образуется зона проникновения, условно принимаемая за цилиндрическую, диаметром D и уд. сопротивлением r_зп с промежуточным значением между r_с и неизменной части пласта r_п. Трехслойные кривые БКЗ определяются пятью параметрами r_п, r_зп, r_с, D и d_с. Но в связи с тем, что кривые БКЗ строятся в двойном логарифмическом масштабе на специальных прозрачных бланках, их форма и положение на палетках зависят от трех относительных параметров: r_зп /r_с, D/d_с и r_п / r_с.

Рис.16. Палетка БКЗ-420 для градиент-зондов

При проникновении фильтрата промывочной жидкости в пласт возможны два случая: снижение уд. сопротивления (понижающее проникновение) и, наоборот, увеличение его сопротивления (повышающее проникновение).

Принадлежность кривой БКЗ к повышающему либо понижающему проникновению промывочной жидкости определяется величиной r_п/r_зп. Если r_п/r_зп<1, то наблюдается повышающее проникновение, при r_п /r_зп > 1 - понижающее.

Обычно на одну и ту же палетку наносят кривые, соответствующие повышающему и понижающему проникновению фильтрата промывочной жидкости. Каждая кривая на трехслойной палетке БКЗ изображает зависимость r_к/r_с от относительного размера зонда Lз / d_с при заданных параметрах D / d_с, r_зп / r_с и r_п / r_с, из которых первые два отражают шифр палетки, а третий - шифр кривой. Например, палетка БКЗ с шифром 4 / 20 означает, что на ней представлен набор кривых зависимости r_к / r_с от Lз / d_с при D / d_с = 4 и r_зп / r_с = 20 (рис. 18).

При повышающем проникновении фильтрата промывочной жидкости в пласт удовлетворяется условие r_с< r_зп> r_п, при понижающем r_с < r_зп < r_п.

Определение истинного удельного сопротивления пласта

Боковое каротажное зондирование проводят для определения истинного уд. сопротивления пластов и выявления проникновения фильтрата промывочной жидкости в пласт.

Рис.17. Типы зондов. кровельный, II-подошвенный; 1-токовые электроды (А,В); 2-измерительные электроды (M, N); 3-точка записи КС; 4-точка записи ПС

На практике БКЗ проводят градиент-зондами, размеры которых соответствуют 1-30 диаметрам скважины (рис.17). Для равномерного расположения точек на бумаге с логарифмическим масштабом увеличение размеров зонда производится по геометрической прогрессии с показателем 2 или 2,5.

При проведении БКЗ наиболее часто используются подошвенные или кровельные градиент-зонды длиной 0.45 (0.65); 1.05; 2.25; 4.25 и 8 м. Один из зондов БКЗ соответствует стандартному зонду для данного района (в Пермской области- 2-х метровый). В интервале проведения БКЗ необходимо определять уд. сопротивление с резистивиметром и диаметр скважины каверномером, а также проводить измерение микрозондами.

Обработка диаграмм БКЗ заключается в выделении пластов, отсчете существенных значений кажущихся сопротивлений против них и построении кривых зависимости КС от размера зонда - кривых зондирования к = f (АО).

Выделение пластов и уточнение их границ производят по совокупности всех кривых КС, полученных зондами различной длины, с использованием диаграмм ПС, микрозондов и кавернограммы.

Для пластов большой мощности целесообразнее строить кривые зондирования по средним или оптимальным значениям КС (рис. 14). Для пластов средней мощности высокого сопротивления (6 < h < 20 м) используют средние и максимальные значения, а иногда для уточнения и оптимальные значения КС. Последние могут быть отсчитаны для зондов, размеры которых не превышают 0.8 мощности пласта. Для пластов малой мощности высокого сопротивления (h < 6 м) строят экстремальные кривые зондирования.

Кривая зондирования, построенная по средним значениям кажущихся уд. сопротивлений, называется средней по экстремальным - экстремальной, а по оптимальным - оптимальной кривой зондирования. Кривая зависимости КС от длины зонда при бесконечной мощности пласта называется кривой БКЗ. Различают теоретические или расчетные и фактические кривые БКЗ.

Теоретическими называют кривые, построенные на основании расчетных данных при помощи сеточного моделирования или графоаналитическим методом (рис.15,16). Фактическими называются кривые зондирования, построенные по средним или оптимальным значениям КС, отсчитанным на каротажных диаграммах против однородных пластов большой мощности (h > 15-20 м). Такие пласты приравниваются к пластам неограниченной мощности, и кривые зондирования для них соответствуют кривым БКЗ и интерпретируются путем непосредственного их сравнения с теоретическими кривыми БКЗ.

В действительности однородные пласты большой мощности встречаются редко, преобладающее большинство пластов в разрезе имеет средние и малые мощности. В связи с этим кривые зондирования отличаются от кривых БКЗ и интерпретация их не может быть осуществлена путем непосредственного сравнения с теоретическими кривыми БКЗ.

Для интерпретации БКЗ пластов средней мощности используют фактические кривые БКЗ, построенные по специальной. Эти кривые отражают зависимость r_к=f(АО) для пластов, аналогичных по уд. сопротивлению исследуемым, но неограниченной мощности.

Для интерпретации кривых БКЗ в пластах небольшой мощности, сопротивление которых превышает сопротивление вмещающих пород, применяют теоретические максимальные и экстремальные кривые зондирований - палетки ЭКЗ.

При интерпретации БКЗ фактическую или экстремальную кривую зондирования сравнивают с теоретическими, среди которых находят кривую, соответствующую интерпретируемой. Это позволяет считать, что интерпретируемая кривая имеет те же параметры, что и теоретическая. На основании этого определяют уд. сопротивление пласта и оценивают наличие или отсутствия проникновения промывочной жидкости в пласт, а при благоприятных условиях устанавливают глубину ее проникновения. Полученную фактическую кривую БКЗ сопоставляют вначале с кривыми двухслойной палетки БКЗ-1 (рис.18).

При этом бланк с фактической кривой БКЗ накладывают на палетку так, чтобы начала координат осей кривой и палетки совпадали. Если при этом фактическая кривая совмещается с одной из палеточных кривых или укладывается между двумя соседними расчетными кривыми БКЗ, повторяя их форму, то в пласте нет проникновения промывочной жидкости и фактическая кривая БКЗ является двухслойной. Уд. сопротивление такого пласта определяется в точке пересечения фактической кривой БКЗ и кривой А палетки.

Если же фактическая кривая БКЗ не совмещается ни с одной из двухслойных кривых БКЗ, то следует предположить наличие проникновения (понижающего или повышающего) промывочной жидкости в пласт. Кривая, соответствующая повышающему проникновению, отмечается крутым спадом после максимума. В случае понижающего проникновения фактические кривые БКЗ с увеличением размера зондов пересекают двухслойные расчетные кривые, переходя от кривых с меньшими значениями к кривым с большими величинами уд. сопротивлений.

Рис.18. Пример совмещения фактической двухслойной кривой БКЗ с палеткой БКЗ-1А

- палеточная кривая; 2 - фактическая кривая БКЗ; 3 - существенные значения ρ_к

Неблагоприятными условиями для использования БКЗ являются: неоднородность разреза (тонкое переслаивание прослоев различного сопротивления), очень высокое или очень низкое уд. сопротивление пород, малое сопротивление промывочной жидкости (соленые растворы). В этих случаях для определения r_п наиболее часто используют методы бокового и индукционного каротажа.

Метод микрозондов (микрокаротаж)

Микрокаротаж предназначен для выделения очень тонких пластов и исследования пород на небольшую глубину и поэтому размеры микроустановок должны быть меньше диаметра скважины. Чтобы скважина, заполненная буровым раствором, имеющим достаточно низкое сопротивление по сравнению с породой, не оказывала сглаживающего влияния на результаты измерений, электроды микрозондов размещают на башмаке, который прижимается к стенке скважины рессорной пружиной.

Поскольку размеры микрозондов малы, сфера исследования их ограничивается частью пласта (промытой зоной), непосредственно прилегающей к стенке скважины. Микрозонды применяют в двух вариантах - в виде трехэлектродных нефокусированных стандартных зондов и зондов с радиальной фокусировкой (экранированные микрозонды). В первом случае на изолирующей пластине (башмаке) размещают три электрода на расстоянии 25 мм один от другого (рис. 19). Их используют для одновременной регистрации диаграмм двух зондов - микроградиент-зонда (МГЗ) А 0.025 М 0.025 N с размером АО = 37 мм и микропотенциал-зонда (МПЗ) А 0.05 М с АМ = 50 мм. Регистрируемое микрозондом кажущееся сопротивление вычисляется по формуле ρ = K (∆U / I), а коэффициент микрозонда К определяется экспериментально. Радиус исследования для МГЗ равен его длине (примерно 4 см), а для МПЗ - удвоенной длине зонда (10-12 см).

Рис.19. Принципиальная схема измерений микрозондами

а - общий вид микрозонда: 1 - электроды, 2 - башмак, 3 - кабель; б - схема записи: Г1, Г2 - приборы для регистрации кривых

электроразведка исследование скважина

По диаграммам МГЗ и МПЗ выделяются породы трех типов (рис. 20). Типы пород определяются характером контакта башмака микрозонда с породой, что, в свою очередь, зависит от состояния стенки скважины.

К породам первого типа относятся фильтрующие коллекторы, имеющие межзерновую пористость (пески, песчаники, проницаемые карбонатные породы и т.п.). Малым зондом (МГЗ) исследуют в основном глинистую корку, выстилающую стенку скважины в интервале коллектора. Зондом с большим радиусом исследования (МПЗ) изучают не только глинистую корку, но и часть коллектора, расположенную за ней (промытую зону с уд. сопротивлением r_пп). Поскольку r_гк < r_пп, показания МГЗ меньше показаний МПЗ. Такое превышение сопротивления получило название положительного приращения и характерно для проницаемых пластов.

Рис. 20. Выделение коллекторов в терригенном разрезе по комплексу ГИС.

- коллектор нефтеносный, 2 - коллектор водоносный, 3 - алевролит глинистый, 4 - песчаник плотный, 5 - аргиллит, 6 - участки диаграмм, соответствующие коллектору

Вторая разновидность пород, выделяемая по кривым МЗ, - это плотные породы, которые не изменяются при контакте с буровым раствором и диаметр скважины d_с в них остается равным номинальному d_ном. За счет шероховатости стенки скважины и, следовательно, неравномерного контакта зонда с породой диаграммы микрозондов в этих интервалах чрезвычайно изрезаны при общем достаточно высоком уровне показаний.

К третьему типу относятся глины, которые набухают и размываются при контакте с буровым раствором, образуя значительное увеличение диаметра скважины. Показания МПЗ и МГЗ в этих интервалах практически совпадают и равны сопротивлению бурового раствора.

Границы пластов уверенно выделяются по кривым МЗ по наиболее крутому подъему кривых. Диаграммы экранированных микрозондов (см. ниже метод МБК) также позволяют выделять границы пластов с большой точностью.

Для оценки уд. сопротивления проницаемой части пласта (промытой зоны r_пп), по результатам измерений МЗ используются специальные палетки, которые составлены на основании модельных расчетов.

Резистивиметрия скважин и определение rс по палеткам БКЗ

Под резистивиметрией понимают измерение уд. электрического сопротивления жидкости r_с, заполняющей скважину, с помощью скважинного резистивиметра. Значения сопротивления промывочной жидкости необходимы при вычислении истинных уд. сопротивлений пород на основании кажущихся.

Сопротивление жидкости замеряют и при определении места притока воды в скважину. Т.к. уд. сопротивление с сильно зависит от температуры, поэтому измерение уд. сопротивления сопровождается измерением ее температуры.

Скважинный резистивиметр представляет собой обычный каротажный зонд малых размеров (расстояние между электродами 2-3 см). Электродная установка резистивиметра в наиболее простом случае помещается в трубу из изолирующего материала с открытыми торцами, по внутренней поверхности которой расположены три кольцевых электрода А, М и N, образующих однополюсный градиент-зонд.

При перемещении резистивиметра по скважине жидкость свободно циркулирует через трубу, которая служит изолирующим экраном, исключающим влияние среды за пределами определенного объема жидкости (стенки скважины, обсадной колонны). Измерения резистивиметром выполняют по схеме, аналогичной замеру при обычном электрическом каротаже методом сопротивления. Для более точного определения сопротивления бурового раствора r_с используют данные электрозондирования (БКЗ). Для этого в разрезе выбирают пласт, для которого кривая зондирования является заведомо двухслойной (плотная порода). Желательно, чтобы мощность такого пласта была велика (h/d_с>16) и сопротивление существенно отличалось от сопротивления бурового раствора.

На бланк, где построена кривая этого пласта, наносят линию диаметра скважины, которую затем совмещают с линией диаметра двухслойной палетки. Бланк перемещают вверх или вниз относительно оси ординат палетки до тех пор, пока точки интерпретируемой кривой не согласуются с кривыми двухслойной палетки. При фиксированном положении кривой на бланке определяют положение ее левой и правой асимптот (r_к=r_с и r_к=r_п). Величину r_к=r_с дает крест палетки, перенесенный на бланк, а r_к = r_п определяется как точка пересечения интерпретируемой кривой с кривой А. Аналогично для определения с по данным БКЗ могут быть использованы палетки ЭКЗ, если кривые кажущегося сопротивления данного пласта ограниченной мощности не искажены экранированием.

Диаграммы экранированных зондов (БК)

Под боковым каротажом (БК) понимают каротаж сопротивления зондами с экранными электродами и фокусировкой тока. Он является разновидностью каротажа по методу сопротивления с использованием зондов, в которых электрическое поле является управляемым.

Различают боковой каротаж, выполняемый многоэлектродными (семь, девять электродов) и трехэлектродным зондами (рис. 21).

Трехэлектродный зонд (БК-3) состоит из трех электродов удлиненной формы. Центральный (основной) электрод А₀ и расположенные симметрично ему два экранирующих А₁ и А₂ представляют собой металлические цилиндры, разделенные между собой тонкими изоляционными прослойками. Через электроды пропускают ток, который регулируется так, чтобы потенциалы всех трех электродов поддерживались одинаковыми. Это достигается путем соединения основного электрода А₎ с экранными через малое сопротивление (r=0.01Ом), которое используется также для измерения силы тока через центральный электрод. Такой зонд можно рассматривать как единое проводящее тело, в котором потенциалы всех электродов равны (U_А1 = U_А0 = U_А2), а токовые линии основного электрода вблизи зонда перпендикулярны к его оси.

Рис.21. Схемы зондов бокового каротажа.

Зонд: а - семиэлектродный (БК-7), б - девятиэлектродный псевдобоковой (ПБК), в - трехэлектродный (БК-3)

Кажущееся уд. сопротивление определяется по разности потенциалов DUкс между электродами А₀ и N, расположенными в удалении, и рассчитывается по формуле ρ = K (∆U / I). Результат измерения зондом БК относят к середине электрода А₀. Записывая изменение DUкс и поддерживая силу тока I₀ в основном электроде постоянной, получают кривую КС. Коэффициент трехэлектродного зонда определяют в однородной среде с уд. сопротивлением r_п, считая r_к = r_п. Характерными для него константами являются длина зонда L₃, соответствующая расстоянию между серединами изолированных интервалов (приблизительно длине основного электрода А₀), общая длина зонда L_общ и его диаметр d₃.

В трехэлектродном зонде ток, вытекающий из А₀, вследствие экранирования собирается в почти горизонтальный слой, имеющий форму диска, толщина которого приблизительно равна Lз (рис. 22).

Семиэлектродный зонд состоит из центрального электрода А₀, двух пар измерительных М₁, М₂, N₁, N₂ и одной пары токовых экранных электродов А₁ и А₂. Электроды каждой пары соединены между собой и симметрично расположены относительно электрода А₀. Через последний пропускают ток силы I₀, который поддерживается постоянным в процессе регистрации. Через экранные электроды А₁ и А₂ протекает ток I_э той же полярности, но такой силы, чтобы разность потенциалов между электродами М₁ и N₁ или М₂ и N₂ равнялось нулю. Замеряют падение потенциала одного из измерительных электродов М₁, М₂ или N₁, N₂ относительно электрода N, удаленного на значительное расстояние от токовых электродов, чтобы избежать влияния их электрического поля. Выносить электрод N на поверхность нежелательно из-за индуктивных помех.

Результат измерений зондом БК относят к точке А₀. За длину зонда L_з принимают расстояние между серединами интервалов М₁ N₁ и М₂ N₂ (точками О₁ и О₂). Расстояние между экранирующими электродами А₁, А₂ называют общим размером зонда L_общ. Кроме того, для характеристики зонда введено понятие параметр фокусировки q = (L_общ - L_з) / L_з.

Кажущееся уд. сопротивление пород находят по данным замера разности потенциалов DUкс и силы тока I₀ через основной электрод А₀. Для определения коэффициента зонда К исходят из известного положения, что в однородной и изотропной среде измеренное сопротивление соответствует истинному. При боковом каротаже благодаря наличию экранных электродов А₁ и А₂ токовые линии распространяются горизонтально в пределах слоя толщиной, равной приблизительно длине зонда (О ₁, О₂).

Разность потенциалов между электродами М₁N₁ и М₂N₂ равна нулю, следовательно, сила тока вдоль оси скважины на этом интервале также равна нулю. Дело обстоит так, как будто скважина и прилегающие к ней участки пласта выше и ниже электрода А₀ заменены пробками из изолирующего материала. Напряжение DU_КС, измеряемое зондом БК, представляет собой падение потенциала от скважины до удаленной точки по пласту. В связи с этим r_к зависит в основном от уд. сопротивления пород; влияние скважины и вмещающей среды на результаты измерений при БК снижается. Величины КС, зарегистрированные при БК, более близки к истинным значениям r_п по сравнению с КС, замеренными обычными зондами.

На рис. 24 дано схематическое изображение распределения токовых линий из электрода А₀, расположенного против пласта высокого сопротивления при обычном методе КС (а) и БК (б).

а                                    б

Рис.22. Распределение токовых линий, выходящих против середины пласта высокого сопротивления электрода А₀ обычного зонда (а) и зонда бокового каротажа (б)

Глубина исследования при боковом каротаже тем больше, чем больше расстояние между экранными электродами А₁ и А₂. БК имеет преимущества перед обычными электрозондами - даже тонкий пласт при неблагоприятных условиях (r_п / r_с =1000), четко выделяется на кривой БК и слабо выражен на кривых нефокусированных потенциал- и градиент-зондов.

Девятиэлектродный зонд псевдобокового каротажа (ПБК) обладает малой глубинностью исследования и применяется для изучения зоны пласта, прилегающей к скважине. Это семиэлектродный зонд, на внешней стороне которого находятся два обратных токовых электрода В₁ и В₂, симметрично расположенных относительно центрального А₀ (рис.21 б). Через электроды В₁ и В₂ замыкается цепь тока I₀ и I_э. В результате токовые линии от центрального электрода А₀ не текут в глубь пласта, а растекаются в непосредственной близости от скважины (слой токовых линий I₀ с удалением от скважины быстро расширяется). На этом участке происходит значительное падение потенциала, характеризуя в основном уд. сопротивление пласта, прилегающего к скважине.

Аппаратура АБКТ для трехэлектродного бокового каротажа является комплексной и помимо БК дает возможность проводить обычный электрический каротаж комплектом зондов БКЗ.

Кривые сопротивления, получаемые при БК, аналогичны кривым, регистрируемым в обычном каротаже потенциал-зондом, улучшение результатов измерений достигается благодаря фокусировке тока. На рис. 23 показаны характерные кривые сопротивления, записанные трехэлектродным зондам БК. Как видно, при одинаковом уд. сопротивлении вмещающих пород кривые КС против однородных пластов высокого сопротивления отмечаются максимумами, которые принимают формы острой пики против тонких пластов (h £ 4d_с); против мощных пластов (h > 16d_с) наблюдается горизонтальный интервал в средней части. Если порода, подстилающая пласт и перекрывающая его, имеет различное сопротивление, максимум против пласта высокого сопротивления становится асимметричным, наблюдается снижение сопротивления со стороны породы меньшего сопротивления.

Рис.23. Кривые сопротивления против одиночного пласта высокого сопротивления, полученные трехэлектродным зондом бокового каротажа

Границы пластов по кривым зонда БК-3 соответствуют точкам на спаде кривой с определенным значением кажущегося уд. сопротивления (граничного сопротивления r_к.гр), величина которого зависит в общем случае от r_вм, а для понижающего проникновения еще и от диаметра зоны проникновения D. Определить местоположение точки с сопротивлением r_к.гр визуально трудно, т.к. эта точка не является характерной для кривой сопротивления. При измерениях трехэлектродным зондом бокового каротажа достаточно большого размера (зонд АБК-3) влияние ограниченной мощности пласта с большим уд. сопротивлением определяется в основном соотношением мощности пласта и диаметра скважины.

В общем случае влияние ограниченной мощности пласта на результаты измерений трехэлектродного и семиэлектродного зондов тем больше, чем меньше r_вм / r_с. Из сказанного следует, что определение п по данным замера одним зондом БК затруднительно, за исключением тех случаев, когда промывочная жидкость не проникает в пласт или при наличии неглубокого понижающего проникновения (D / d_с < 6).

Микробоковой каротаж. Под микробоковым каротажом (МБК) понимают микрокаротаж с фокусировкой тока. На практике применяют четырехэлектродный, двухэлектродный и трехэлектродный микрозонды (рис. 24). Электроды зонда смонтированы на резиновом башмаке с рабочей кривизной поверхности 200 мм.

Электрод А₀ имеет размеры 15х70 мм; длина экранного электрода А_э 208 мм, ширина - 102 мм. Через центральный электрод А₀ протекает постоянный ток I, а через экранный электрод Аэ пропускают ток такой же полярности, как и через А₀. Сила тока регулируется так, чтобы разность потенциалов между электродами М и N была равна нулю. Кажущееся уд. сопротивления получают путем измерения потенциалов одного из электродов М или N относительно удаленного измерительного электрода.

Рис. 24. Схема двухэлектродного бокового микрозонда и характер распределения токовых силовых линий.

- башмак микрозонда, 2 - изучаемая среда. Заштрихованы области фокусировки тока

Малые расстояния между электродами в МБК обусловливают небольшую глубину исследования. Однако благодаря наличию экранного электрода А_э ток из электрода А₀ распространяется по пласту вблизи скважины пучком, практически перпендикулярным к ее стенке. Вследствие этого заметно уменьшается влияние глинистой корки и пленки промывочной жидкости между башмаком и стенкой скважины. Практически влиянием глинистой корки толщиной менее 8 мм можно пренебречь. Измеряемое кажущееся сопротивление вычисляется по формуле, а коэффициенты зондов определяются экспериментально.

Интерпретация диаграмм МБК заключается главным образом в оценке уд. сопротивления промытой части пласта r_пп. В карбонатном разрезе по характеру дифференцированности кривой сопротивления r_к МБК различают плотные и трещиновато-кавернозные породы (против трещиновато-кавернозных пород кривая r_к БКЗ характеризуется резкой дифференцированностью). На показания МБК высокопроводящая (высокоминерализованная) промывочная жидкость оказывает незначительное влияние, поэтому данный метод является неотъемлемой частью комплекса геофизических работ, выполняющихся в скважинах, которые бурятся на соленом растворе. Для учета влияния на показания МБК глинистой корки и слоя бурового раствора используются палетки.

Т.к. данные МБК дают возможность измерять значения уд. сопротивлений пород в зоне их непосредственного прилегания к стенке скважины, то по данным r_пп можно определить пористость или остаточную нефтенасыщенность пород. Из-за малых размеров зонда экранирование тока на границах пластов существенно снижается, что способствует детальному расчленению разрезов скважин и четкой отбивке границ пластов. Обычно измерения кривых МБК сопровождаются замерами d_с микрокаверномером, что облегчает выделение коллекторов и разделение их на гранулярные и трещинные, ведет к уточнению литологии и интерпретации диаграмм сопротивления, полученных микрозондами с фокусировкой тока.

Индукционный каротаж

Индукционный каротаж (ИК) является электромагнитным методом, основанным на измерении кажущейся уд. электрической проводимости горных пород. ИК выгодно отличается от каротажа обычными зондами и от БК тем, что применим не только в скважинах, заполненных промывочной жидкостью (проводящей ток), но и в скважинах с непроводящей жидкостью (нефтью или промывочной жидкостью, приготовленной на нефтяной основе), воздухом или газом.

Измерения при индукционном каротаже производятся с помощью спускаемого в скважину глубинного прибора, состоящего в наиболее простом виде из двух катушек: возбуждающей, питаемой переменным током, и приемной (измерительной), снабженной усилителем и выпрямителем (рис. 25).

Электронная схема прибора обеспечивает питание генераторной катушки переменным током частотой 20-80 кГц, усиление и преобразование сигнала измерительной катушки. Переменный ток, протекающий по генераторной катушке, создает переменное магнитное поле (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). Вихревые токи в породах создают вторичное магнитное поле.

Первичное и вторичное переменные магнитные поля индуцируют ЭДС в приемной катушке. Индуцированная первичным полем ЭДС Е1 является помехой и компенсируется введением в цепь приемной катушки равной ей ЭДС и противоположной по фазе. Остающаяся в измерительной цепи ЭДС Е2, индуцированная вторичным магнитным полем вихревых токов, подается в измерительный преобразователь для усиления и преобразования, после чего посылается по жиле кабеля на поверхность, где записывается регистрирующим прибором.

Рис.25. Принципиальная схема прибора ИК

а - пространственная схема; б - разрез вдоль оси скважины; 1 - генератор, 2 - генераторная катушка; 3 - усилитель с приемной (измерительной) катушкой; 5 - преобразователь с фазочувствительным элементом; L - длина зонда; О - точка записи

Амплитуда тока в генераторной катушке в процессе замера поддерживается неизменной, а сила вихревых токов, возникающих в окружающей породе, определяется уд. электрической проводимостью (электропроводностью) породы. Соответственно ЭДС Е2, наведенная вторичным полем в измерительной катушке, в первом приближении пропорциональна электропроводности горных пород s_п, следовательно, пропорциональна их уд. сопротивлению. Зарегистрированная по стволу скважины кривая должна характеризовать изменения уд. электропроводности породы в разрезе.

В однородной изотропной среде с уд. электропроводностью s_п, когда частота тока питания и проводимость среды невелики (взаимным влиянием вихревых токов можно пренебречь)

Е2 = К_з × s_п,

где К_з - коэффициент зонда.

На практике измеряется не ЭДС Е2, а пропорциональная ей величина получаемого при индукционном каротаже сигнала:

Ес = С × Е2,

где С - коэффициент пропорциональности.

И далее получаем

s_п = Е2 / К_з = Ес / C ×К_з = Ес / К_с,

Здесь К_с - коэффициент для перехода от величины сигнала к уд. электропроводности.

Т.к. среда, окружающая прибор, неоднородна (прослои пород разного сопротивления, промывочная жидкость с сопротивлением, отличающимся от сопротивления окружающей среды, наличие зоны проникновения), то замеренная величина электропроводности характеризует кажущуюся проводимость s_к аналогично кажущемуся уд. сопротивлению r_к. В результате измерений величину сигнала Ес определяют следующим образом:

Величина коэффициента К_с выбирается с таким расчетом, чтобы в однородной среде s_к соответствовала s_п.

Уд. электрическая проводимость выражается в сименсах на метр (См /м). Сименс - проводимость проводника, имеющего сопротивление в 1 Ом.

Зонд индукционного каротажа обычно обозначается шифром, первый элемент которого - цифра соответствует числу катушек зонда, второй - буква (Ф, И или Э) обозначает тип зонда, третий элемент - число соответствует длине зонда (расстоянию в метрах между серединами главных катушек).

Кривая кажущейся уд. проводимости, регистрируемая в ИК, практически линейно отражает изменение проводимости среды. Она соответствует перевернутой кривой кажущихся сопротивлений в практически гиперболическом масштабе сопротивлений. Благодаря этому усиливается дифференциация кривой против пород, имеющих низкое уд. сопротивление, и происходит сглаживание ее против пород с высоким уд. сопротивлением (рис. 26).

Для получения более точных данных об уд. электрической проводимости пород в зонд ИК, кроме двух главных катушек, включают несколько дополнительных генераторных и измерительных катушек, называемых фокусирующими. Назначение дополнительных катушек - в комплексе с главными уменьшить влияние промывочной жидкости, зоны проникновения и вмещающих пород на величину кажущейся проводимости, а также увеличить глубинность исследования. Точкой, к которой относятся результаты измерения, является середина расстояния между главными (токовой и измерительной) катушками (точка записи О на рис.25).

Рис. 26. Расчленение разреза по диаграмме индукционного каротажа.

Пласты удельного сопротивления: 1 - высокого, 2 - среднего, 3 - низкого. Точки на кривой ИК соответствуют границам пластов

Форма кривой и определение границ пластов при ИК зависят от характера токовых линий, образующих вокруг оси скважины замкнутые окружности, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной к оси прибора. Влияние скважины на показания ИК в общем случае зависит от d_с, r_с и отношения r_п/r_с. В случае высокоминерализованной промывочной жидкости (r_с < 1 Ом × м) и достаточно высокого сопротивления уд. пород (r_п / r_с > 20) влияние скважины становится заметным и учитывается при интерпретации диаграмм ИК с помощью специальных палеток.

Влияние зоны проникновения на результаты ИК невелико при повышающем проникновении. Понижающее проникновение оказывает значительное влияние, начиная уже с проникновения промывочной жидкости на глубину, превышающую три диаметра скважины (D > 3 d_с).

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

Благоприятные результаты получают при исследовании разрезов низкого и среднего сопротивлений и наличии повышающего проникновения фильтрата бурового раствора в пласт. По диаграмма ИК можно более точно определить уд. сопротивление низкоомных водоносных коллекторов и положение ВНК. Применение ИК ограничено при соленой промывочной жидкости и высоком уд. сопротивлении пород. ИК рекомендуется проводить в комплексе с другими методами сопротивлений, а также с методом ПС.

Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)

В скважине, заполненной глинистым раствором или водой, и вокруг нее самопроизвольно возникают электрические поля, названные самопроизвольной или собственной поляризацией (естественные потенциалы).

Происхождение таких потенциалов в скважине обусловлено главным образом диффузионно-адсорбционными, фильтрационными и окислительно-восстановительными процессами, возникающими на границах пластов, различающихся по своим литологическим свойствам (в основном глинистости пород), и на контакте промывочной жидкости в скважине и пластов, поры которых заполнены водой той или иной минерализации.

Измерение естественных потенциалов сводится к замеру разности потенциалов между электродом М, перемещаемым по скважине, заполненной промывочной жидкостью (глинистым раствором, водой), и электродом N, находящимся на поверхности вблизи устья скважины (рис. 29).

Потенциал электрода N практически сохра-няется постоянным, и разность потенциалов между электродами М и N DU_mn = U_m - U_n = U_m - const.

Разность потенциалов между перемещаемым электродом М и неподвижным N указывает на изменение электрического потенциала вдоль скважины. Причиной этого является наличие в скважине и около нее самопроизвольно возникающего электрического поля.

Рис.27. Схема измерения ПС

- глина, 2 - песчаник, 3 - регистрирующий прибор

Регистрируемая кривая естественных потенциалов (кривая ПС) показывает изменение величины потенциала электрического поля у электрода М с глубиной. Точка записи DU относится к электроду М. Разность потенциалов ПС измеряется в милливольтах (в мВ). Масштаб записи выражается числом милливольт на 1 см и выбирается с таким расчетом, чтобы амплитуды отклонений аномалий ПС находились в пределах 3-7,5 см.

Обычно применяют масштабы 5, 10 и 12,5 мВ/cм. Масштабы глубин устанавливаются в соответствии с масштабом, применяемым для кривой КС, и в зависимости от детальности регистрации равен 1:500; 1:200 и в редком случае 1:50.

Следует отметить, что кроме естественной разности потенциалов ПС, между электродами М и N в скважине возникает разность потенциалов, обусловленная токами помех различного происхождения: поляризацией электродов, наличием блуждающих и переменных земных (теллурических) токов, помех, связанных с намагниченностью лебедки, гальванокоррозией грузов и др.

Измерение кривой ПС производится обычно одновременно с записью кривой КС стандартным градиент- или потенциал-зондом. Операция совместной регистрации кривых получила название - стандартный электрический каротаж.

Форма и амплитуда отклонения кривой ПС зависят от различных факторов, влияющих на распределение силовых линий тока и падение потенциала в изучаемой среде - мощность пласта, диаметр скважины, сопротивления пласта, вмещающих пород, промывочной жидкости и пластовой воды, проникновение фильтрата глинистого раствора в пласт и др.

Величину амплитуды аномалий ПС DU_пс отсчитывают от линии глин, называемой условно нулевой линией. Эта линия, которая является обычно прямой, проводится против мощных пластов глин, в которых амплитуда кривой ПС близка к величине ЭДС Е_пс, в тонких пластах - меньше Е_пс; чем меньше мощность пласта, тем больше различие между этими величинами. Границы мощного пласта (h / d_с > 4) отмечаются в точках, соответствующих половине амплитуды отклонения кривой ПС; границы тонких пластов смещены относительно половинной амплитуды отклонения кривой ПС к максимальному отклонению, и выделение границ тонких пластов по кривой ПС затруднено (рис. 38).

Песчано-глинистый разрез наиболее благоприятен для изучения его по кривой ПС. Пески, песчаники, алевриты и алевролиты легко отличаются по кривой ПС от глин. Песчано-алевритовые пласты отмечаются минимумами потенциала. С увеличением в песчаном пласте количества глинистого материала возрастает коэффициент диффузионно-адсорбционного потенциала, а следовательно, уменьшается отклонение кривой ПС против него. Наибольшей адсорбционной активностью (наибольшей дисперсностью) обладают глинистый и лимонитовый цементы породы, значительно меньшей - карбонатный и наименьшей - силикатный.

Против нефтегазоносных чистых песчано-алевритовых пластов отрицательная аномалия ПС обычно такая же, как и против водоносных. Против глинистых коллекторов она несколько уменьшается.

В карбонатном разрезе отрицательными аномалиями на кривой ПС чаще всего отмечаются чистые (неглинистые) карбонатные пласты (известняки, доломиты), как крупно- и среднезернистые, так и мелкозернистые, в том числе малопористые и плотные.

Карбонатные пласты (мергели, глинистые известняки и доломиты), содержащие глинистый материал, сосредоточенный в порах или в рассеяном виде, по всей толще породы отмечаются малыми отклонениями кривой ПС от линии глин. Расчленение разреза и выделение границ пластов по кривой ПС в высокоомном разрезе затруднительно.

Рис.38. Кривые ПС при различных соотношениях уд. электрических сопротивлений фильтрата промывочной жидкости ρ_ф и пластовой воды ρ_в.

I - ρ_ф > ρ_в; II - ρ_ф< ρ_в. 1 - глина; 2 - глина песчаная; 3 - песок; 4 - песок глинистый; 5 - песчаник; 6 - мергель; 7 - известняк; 8 - известняк глинистый.

Метод ПС до недавнего времени один из важнейших в комплексе ГИС, он широко применяется для установления границ пластов и их корреляции, расчленения разреза и выделения коллекторов.

Прочие электрометоды и комлексирование методов определения удельного сопротивления

Помимо вышеперечисленных электрометодов в практике каротажа скважин используются иногда и методы вызванных потенциалов (ВП), диэлектрический каротаж и прочие модификации методов сопротивления.

Метод вызванных потенциалов (ВП) предназначен для оценки свойств горных пород и основан на способности пород поляризоваться при прохождении через них электрического тока. Чаще всего метод ВП находит применение для выделения угольных и рудных пластов.

Диэлектрический каротаж (ДК) - электромагнитный каротаж, основанный на измерении кажущейся диэлектрической проницаемости горных пород e_к, которая численно равна диэлектрической проницаемости такой однородной непроводящей среды, показания которой равны показаниям в данной неоднородной среде с конечным сопротивлением.

Для сокращения времени производства геофизических работ применяют комплексирование электрометодов, когда одновременно за один спуск-подъем осуществляются измерения несколькими различными зондами или методами.

Заключение

Геофизические исследования скважин (ГИС) выполняются в большинстве скважин и являются неотъемлемым этапом в геологических, буровых и эксплуатационных работах, проводимых при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений. Для получения разносторонней информации о геологическом строении недр комплексная интерпретация данных ГИС должна охватывать разрезы всех скважин и каждую из них от устья до забоя.

В настоящей работе показаны большие возможности электроразведки при решении многих геологических задач и, в частности, при литолого-стратиграфическом расчленении разрезов скважин и межскважинной корреляции с использованием петрофизической и промыслово-геологической информации.