Семиелектродний боковий каротаж

Сталість розмірів зонду БК-3 унеможливлює зміну глибинності (радіусу) дослідження, що не дозволяє при інтерпретації отриманих результатів таким зондом з’ясувати, чому відповідає зареєстроване – істинному питомому опору пласта чи опору зони проникнення пласта-колектора. У зв’язку із цим були розроблені інші типи фокусованих зондів бокового каротажу, зокрема семиелектродний і дев’ятиелектродний, що мають різну глибинність дослідження.

Семиелектродний зонд методу ОЕЗ з автоматичним фокусуванням струму складається із центрального живлячого електрода , двох екранних електродів і та двох пар вимірювальних електродів і та і , що розміщуються між центральним та екранними електродами. Однойменні електроди розташовані симетрично відносно центрального електроду та з’єднані між собою попарно. Через електрод пропускається струм силою , величина котрого в процесі запису підтримується сталою. Через екранні електроди і сила струму автоматично підтримується такою, щоб різниця потенціалів між електродами і (або і ) дорівнювала нулеві:

Рівність потенціалів означає, що на ділянках свердловини та струм відсутній, а це призводить до спрямування його від центрального електрода в пласт практично горизонтально. За рахунок цього зменшується вплив свердловини на результати вимірів, і зареєстроване є більш наближеним до пласта.

При реєстрації кривої ефективного опору семиелектродним фокусованим зондом фіксується потенціал одного із вимірювальних електродів відносно віддаленого електроду N.

Ефективний питомий опір розраховується за відомою формулою:

де – коефіцієнт семиелектродного фокусованого зонду; – сила струму, що проходить через центральний електрод ; – різниця потенціалів між одним із вимірювальних електродів зонду і віддаленим електродом N.

Коефіцієнт семиелектродного фокусованого зонду визначається лише геометричними розмірами зонду (відстанями між електродами) і розраховується за формулою:

(2)

Характерними розмірами семиелектродного фокусованого зонду є його довжина між серединами інтервалів та і загальний розмір – відстані між екранними електродами. За точку запису кривої умовно приймається центральний електрод . Важливою характеристикою зонду є параметр фокусування:

Параметр впливає на форму ліній струму, що виходять з центрального електроду. Із збільшенням , тобто з наближенням вимірювальних електродів до центрального, пучок ліній струму з електрода звужується (при цьому, відповідно, покращується роздільна здатність по вертикалі), а при зменшенні – розширюється.

Вплив свердловини і зони проникнення на можна виключити в тому випадку, якщо загальний розмір семиелектродного фокусованого зонда є значно більшим за діаметр свердловини . Проте збільшення довжини зонда погіршує виділення тонких пластів. Зазвичай вибирається зонд із загальним розміром 2-3 м. Для неоднорідного середовища, в залежності від свердловинних умов вимірів, вибирається зонд із м і або м і . На практиці використовуються зонди різних розмірів і, відповідно, з різним радіусом дослідження, наприклад: – з великим радіусом дослідження, – з малим радіусом дослідження, що дає змогу вивчати питомий опір пластів гірських порід в радіальному напрямку.

Рис.5.6. Схеми зондів бокового каротажу із зазначенням характерних розмірів: а) семиелектродний зонд; б) дев’ятиелектродний нормалізований зонд

Індукційний метод

Каротаж індукційний геофізичний метод дослідження у свердловинах, оснований на вимірюванні магнітного поля вихрових струмів, індукованих у гірських породах. Індукційні методи застосовуються для дослідження вторинного електромагнітного поля середовища, е.р.с. якого прямо пропорційна електропровідності гірських порід. Вторинне електромагнітне поле виникає у навколишньому середовищі за рахунок вихрових струмів, що індукуються при пропусканні через генераторну котушку змінного струму.

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

Найпростіший зонд індукційного методу може бути складений з двох котушок – генераторної та приймальної (вимірювальної), розташованих в свердловині (рис. 5.7, а). Відстань між серединами котушок є довжиною індукційного зонда L. Генераторна котушка зонда підключена до генератора змінного струму і живиться стабілізованим за частотою та амплітудою струмом. Приймаюча котушка зонда через підсилювач і фазочутливий елемент підключена (через каротажний кабель) до реєструючого приладу, розташованого на поверхні. Змінний струм, що протікає в генераторній котушці, створює первинне змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, індукує в оточуючому середовищі вихрові струми, що формують вторинне змінне магнітне поле тієї ж частоти, що і первинне поле (рис.5.7, б).

в)

Рис.5.7. Будова та принцип роботи найпростішого двокотушкового індукційного зонда: а) схематична будова зонда; б) схема формування первинного та вторинного електромагнітних полів. 1 – генераторна котушка; 2 – вимірювальна котушка; 3 – генератор; 4 – підсилювач; 5 – фазочутливий випрямляч; L – довжина зонда; І – напрям ліній струму в елементарному кільці гірської породи в поточний момент часу; В₁ та В₂ – силові лінії первинного та вторинного магнітних полів відповідно; в) Конструкція свердловинного снаряда індукційного каротажа; КГ – генераторна котушка, КП – приймальна котушка; ФГ – фокусуюча котушка; L – довжиною зонда

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

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

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

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

В індукційних методах дослідження свердловин фактично вимірюється деяке значення питомої електропровідності – ефективна питома провідність _еф, – що залежить від провідності пласта, промивальної рідини, вміщуючих порід, діаметру свердловини, потужності пласта, а також розміру та конструкції зонда. В зв’язку із цим, ефективна електропровідність _еф в загальному випадку відрізняються від істинної питомої електропровідності досліджуваного пласта _п.

Одиницею вимірювання електропровідності порід являється См/м – величина, обернена Ом·м. На практиці використовують тисячну долю См/м – мСм/м.

В практиці геофізичних досліджень нафтогазових свердловин найбільшого розповсюдження набула апаратура індукційного каротажу з повздовжнім датчиком, вісь якого співпадає з віссю свердловини. В цьому випадку вихрові струми, що індукуються первинним полем, розташовані в площинах, перпендикулярних до вісі свердловини, і не перетинають границь пластів, що вміщують досліджуваний пласт.

На результати вимірів найпростішим двокатушковим зондом значний спотворюючий вплив створює свердловина, зона проникнення та вміщуючи породи, а також прямий сигнал від генераторної котушки. Для позбавлення впливу зазначених факторів і виключення прямого сигналу в сучасній апаратурі використовуються багатокотушкові фокусуючи зонди.

Багатокотушковий зонд представляє собою систему котушок, закріплених на одному ізоляційному стрижні (рис. 38). Окрім основних генераторної (ГК) і приймальної (ПК) котушок свердловинні зонди індукційного каротажу комплектуються додатковими котушками: компенсаційними (К) та фокусуючими (Ф), що вмикаються в генераторний та вимірювальний ланцюги. Компенсаційні котушки слугують для виключення у приймальній котушці е.р.с. прямого поля, що індукується генераторною котушкою.

Фокусуючі котушки призначені для зменшення впливу сигналів від свердловини ( ), зони проникнення ( ) та вміщуючих порід ( ). Фокусуюча дія додаткових котушок досягається шляхом підбору числа їх витків, розташування і увімкнення їх відносно основних котушок. Компенсаційні і фокусуючі котушки вмикаються послідовно із головними, але їх витки намотані назустріч виткам генераторної і приймальної котушок. Котушки вертикального фокусування розташовуються зовні основних (генераторної та приймальної) котушок і вмикаються назустріч їм. При цьому досягається фокусування зонду у вертикальному напрямі, що призводить до суттєвого зменшення впливу вміщуючих порід. Радіальне фокусування здійснюється за допомогою внутрішніх фокусуючих котушок. Головне їх призначення – зменшення впливу свердловини і зони проникнення на результати вимірів.

Зонди індукційного каротажу позначаються таким чином: перша цифра відповідає загальній кількості котушок, літера «Ф» позначає, що зонд є сфокусованим, остання цифра вказує на довжину зонда. Наприклад, індукційний зонд 6Ф1 – шестикотушковий фокусований зонд довжиною 1 м.

В таблиці 4 наведені основні характеристики зондів індукційного каротажу, схеми котрих зображені на рис. 5.8.

Таблиця 5.1

Деякі параметри зондів індукційного каротажу

Шифр* зонда	Довжина зонда, м	Частота струму живлення, кГц	Фокусування	Маркування апаратури, держава-виробник
4И1			Зовнішнє	ПИК-1 М, СРСР
6Ф1			Зовнішнє і внутрішнє	АИК-3, АИКМ
4Ф1			Внутрішнє	ВИК
6ФФ40	1.016		Зовнішнє і внутрішнє	США і Франція

* У шифрі зонда перша цифра – кількість котушок, остання цифра – довжина зонда в метрах (для зонду 6ФФ40 – в дюймах)

Найпростіший багатокотушковий зонд складається з трьох котушок – двох головних (ГК і ПК) та одної фокусуючої. Фокусуюча котушка може бути ввімкненою або в генераторний ланцюг, і в цьому випадку позначається ФГ, або в приймальний ланцюг і тоді позначається ФП. Показання зондів будуть однаковими у зв’язку з рівністю їх магнітних моментів.

Ефективність застосування індукційного методу при вивченні розрізів свердловин у значній мірі визначається вибором багатокотушкового зонду з оптимальними параметрами. До таких параметрів відносяться його радіальна та вертикальна характеристики (рис. 41), що визначають, відповідно, глибинність дослідження даного зонду в радіальному напрямку (залежність величини зареєстрованого сигналу від радіусу r – відстані від вісі свердловини до точки спостереження) і роздільну здатність за вертикаллю (залежність величини зареєстрованого сигналу від потужності пласта h, коли зонд розташований симетрично відносно границь пласта).

Область застосування та вирішувані задачі

Метод набув широкого застосування при дослідженні розрізів нафтових і газових свердловин з промивальними рідинами порівняно низької мінералізації ( Ом·м). Крім того, він може застосовуватися при вивченні свердловин із непровідними буровими розчинами (на нафтовій основі, вапняково-бітумними та ін. розчинами), а також для дослідження свердловин, закріплених трубами з діелектриків (азбоцементні та полімерні обсадні колони). Таким чином, на фоні високих значень індукційний метод найбільш ефективно буде використовуватись при дослідженні розрізів, складених породами низького (до 50 Ом·м) питомого опору, які чітко виділяються на діаграмах ІМ.

Звичайний індукційний метод в зазначених умовах дозволяє детально вивчати розрізи, виявляти нафтоносні і водоносні породи, досліджувати будову перехідної водонафтової зони і положення контактів «нафта–вода» і «газ–вода».

Рис. 5.8. Схеми зондів індукційного каротажу. Відстань між котушками наведена в метрах.

Індукційні зонди порівняно невеликих розмірів (0.75 – 1.4 м) характеризуються значним радіусом дослідження, що перевищує приблизно в 4 рази радіус дослідження звичайних градієнт-зондів ПО аналогічних розмірів.

Застосування звичайного низькочастотного індукційного методу є обмеженим у випадку використання солоних бурових розчинів (в цьому випадку зареєстрована ефективна провідність насамперед є пропорційною провідності свердловини та зони проникнення пластів-колекторів, що насичена фільтратом цього бурового розчину) і при дослідженні пластів з питомим опором більшим за 50 Ом·м.

Метод мікрозондів.

Цей метод заснований на вимірі ПО порід зондами малих розмірів, що притискаються до стінки свердловини. В мікрозондах електроди встановлюються на малій відстані один від одного (~ 2.5 см) на башмаку з електроізоляційного матеріалу. Щоб виключити вплив бурового розчину на результати вимірів, башмак притискають до стінки свердловини ресорним або керованим важільним пристроєм (рис. 5.9).

Мікрозонди діляться на звичайні градієнт- і потенціал-зонди з електродами що не фокусують струм і з фокусуванням струму. Каротаж звичайними мікрозондами називають мікрокаротажем (МК), а каротаж, мікрозондами з фокусуванням струму – бічним мікрокаротажем (БМК).

В останньому випадку зондовий пристрій опускається в свердловину в закритому стані, а в інтервалах вимірів важелі за командою з поверхні відкриваються, і мікроустановка притискається до стінки свердловини.

Рис.5.9. Зовнішній вигляд електромеханічного блоку апаратури мікрозондування комплексу МЕГА-Е з керованим важільним притискним пристроєм. У збільшеному варіанті показана фронтальна проекція резинового башмака з трьома латунними електродами.

Три електроди ( ), що вмонтовані в резиновий башмак, утворюють два зонди: мікроградієнт-зонд (МГЗ) – з розміром м, та мікропотенціал-зонд (МПЗ) – з розміром зонда м.

Радіус дослідження у МГЗ дорівнює його довжині – 0.0375 м (3.75 см), а у МПЗ він є приблизно у 2÷2.5 рази більший за його довжину і складає 10-12 см. Різниця в глибинах досліджень призводить до того, що ПО, записаний цими зондами проти пластів-колекторів з глинистою кіркою та зоною проникнення, будуть відрізнятися. Як правило, проти таких пластів спостерігається розбіжність кривих ПО ( ). Пояснюється це тим, що проміжний шар низького опору (плівка бурового розчину та глиниста кірка), що знаходиться між башмаком та стінкою свердловини, у більшому ступені впливає на показання МГЗ, радіус дослідження котрого практично співпадає з товщиною цього шару (~ 2÷3 см). В той же час показання МПЗ визначаються, в основному, опором зони проникнення (її промитої частини – ), який є більшим за опір проміжного шару. На цьому базується виділення в розрізах свердловин пластів-колекторів, зокрема, нафтогазонасичених колекторів. У випадку щільних порід (ангідрити, щільні вапняки та ін.) або порід, на стінках котрих не формується глиниста кірка (глини), криві МПЗ та МГЗ співпадають (рис.5.10).

Рис. 5.10. Схематизований геологічний розріз (а) і діаграми мікрозондів (б)

Запис кривих позірного опору МГЗ і МПЗ виконується одночасно за допомогою двоканальної апаратури, що працює як на багатожильному, так і на одножильному кабелі. У зондовому пристрої стабілізований струм живлення частотою 400 Гц силою 2 мА протікає від струмового електрода (А) через досліджувану гірську породу до зворотного електрода живлення (В), що знаходиться на броні каротажного кабелю. При цьому з вимірювальних електродів мікроустановки знімаються значення потенціалів, що є пропорційними питомому опору гірських порід, і передаються на детектор.

Діапазони вимірів позірного питомого електричного опору гірських порід потенціал-мікрозондом та градієнт-мікрозондом знаходиться в межах від 0.1 до 50 Ом·м.

Діапазон вимірів радіусів свердловини при розкритті важелів притискного пристрою складає від 50 до 200 мм.

На рис. 5.11. наведена структурна схема принципу вимірів ПО мікрозондами на трижильному кабелі.

Боковий мікрокаротаж

Показання звичайних мікрозондів (МЗ) значною мірою залежать від наявності плівки промивальної рідини та глинистої кірки між башмаком мікрозонда і стінкою свердловини (особливо у випадку заповнення свердловини мінералізованою промивальною рідиною, Ом·м). У зв’язку із цим був розроблений метод мікрозондів ОЕЗ (або боковий мікрокаротаж, БМК), що передбачає виміри принципово іншими мікроустановками – екранованими мікрозондами з автоматичним фокусуванням струму.

Рис. 5.11. Схема вимірів методом мікрозондування. В каналі МГЗ вимірюється різниця потенціалів між електродами М₁ та М₂ (_МГЗ ~ U_М1М2); в каналі МПЗ вимірюється потенціал електроду М₂ по відношенню до віддаленого електрода N (_МПЗ ~ U_М2_N). Г – генератор змінного струму I_AB в ланцюгу живлячих електродів А, В; ФЧВ – фазочутливий випрямляч.

Рис. 5.12. Схематичне зображення мікроустановок бокового мікрокаротажу в плані (зліва) і в розрізі (справа): двохелектродної (а), триелектродної (б) і чотириелектродної (в). Лінії струму центрального електрода позначені суцільними лініями, екранного – пунктирними

В методі БМК з фокусуванням струму використовуються замкнені електроди кільцевої або прямокутної форми, що змонтовані на ізоляційному башмаку, який притискається притискним пристроєм до стінки свердловини. Фокусування струму центрального електрода базується на раніше розглянутих фізичних принципах методу ОЕЗ.

Метод БМК реалізований у декількох модифікаціях, що відрізняються кількістю електродів мікроустановок: дво-, три- і чотириелектродна модифікації (рис. 5.12).

Апаратура та методика проведення досліджень методом БМК

Апаратура типу МБК призначена для одночасної реєстрації діаграми і кривої зміни діаметра свердловини – кавернограми. В цій апаратурі використовується двоелектродний екранований мікрозонд. Електроди зонду змонтовані на резиновому башмаку з робочою кривизною поверхні 200 мм. Електрод має розміри 15×70 мм; зовнішні розміри екранного електроду – 102×280 мм.

Паспортне значення коефіцієнта двоелектродного мікрозонда БМК складає 0.015 м.

Масштаб запису кривої вибирають рівним 0.5 Омм/см (при сильно мінералізованому буровому розчині) і 2 Омм/см (прісний буровий розчин). Швидкість реєстрації діаграми залежить від геологічної будови розрізу свердловин і складає 700 – 1000 м/год.