Индукционный каротаж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Индукционный каротаж (ИК) - один из наиболее важных методов электрического каротажа. При ИК удельную электрическую проводимость горных пород, пересечённых стволом скважины, изучают с помощью специальной установки - зонда, принимающего сигналы, индуцированные вихревыми токами окружающей среды. Индукционный каротаж основан на изучении распределения электромагнитного поля в пространстве, окружающем зонд, в зависимости от удельной электропроводности горных пород. В отличии от других методов электрического каротажа, индукционный каротаж бесконтактный, т. е. посредством индукционного зонда измеряют проводимость горных пород, не посылаю в них через электроды электрический ток. Таким образом, предоставляется возможность исследовать сухие скважины и скважины, заполненные промывочной жидкостью, приготовленной на нефтяной основе. Кроме того, индукционные зонды имеют лучшую разрешающую способность по мощности и больший радиус исследования изучаемой среды.

Индукционные методы, основанные на изучении в скважинах переменного электромагнитного поля низкой и высокой частоты, разработаны достаточно детально. Низкочастотными индукционными методами изучают электромагнитное переменное поле ультразвуковой частоты 20--60 кГц, высокочастотными -- переменные поля частотой 1 --10 МГц.

В группу низкочастотных индукционных методов входят обычный индукционный метод с продольным датчиком, индукционный метод с поперечным датчиком, индукционный метод переходных процессов, частотный индукционный метод и др. К высокочастотным индукционным методам относятся обычный высокочастотный индукционный метод (ВИМ) (амплитудный метод), волновой метод проводимости (ВМП) (фазовый метод), высокочастотное индукционное изопараметрическое зондирование.

Физические основы индукционных методов

Индукционные методы применяются для исследования вторичного электромагнитного поля среды, электродвижущая сила (э.д.с.) которого прямо пропорциональна электропроводности горных пород. Вторичное электромагнитное поле возникает в окружающей среде за счет вихревых потоков, которые индуцированы катушкой, питающейся от помещённого в скважину генератора переменного тока.

Индукционные методы принципиально отличаются от других методов стационарного и квазистационарного электрических полей, прежде всего, тем, что для создания вторичного электромагнитного поля в горных породах не требуется непосредственного (гальванического) контакта зондовой установки с окружающей средой. Если в методах КС, ТМ, ВП электрический ток распространяется в горные породы от токовых электродов через слой проводящей жидкости (промывочной), то в индукционных методах электроды как таковые не используются, и вторичное электромагнитное поле формируется в горных породах за счет индуктивной связи первичного электромагнитного поля со средой, окружающей зонд. Следовательно, индукционные методы позволяют изучать разрезы скважин, пробуренных с обычной промывочной жидкостью и с промывочной жидкостью на нефтяной или другой основе, плохо проводящей электрический ток.

Индукционные методы отличаются также характером распределения вторичных токов, индуцированных генераторной катушкой в горных породах: их токовые линии лежат в плоскостях, перпендикулярных к оси генераторной катушки. В однородной среде линии вихревых токов представляют собой окружности с центрами на оси прибора. При таком распределении токовых линий можно более точно определить истинное удельное сопротивление пластов, а влияние электропроводности вмещающих пород на показания индукционных методов существенно уменьшается.

Простейший зонд индукционного метода может быть составлен из двух катушек (генераторной и измерительной), опущенных в скважину. Расстояние между серединами генераторной и измерительной катушек есть длина Lи индукционного зонда. Генераторная катушка зонда подключена к генератору переменного тока ультразвуковой частоты 20--60 кГц и питается стабилизированным по частоте и амплитуде током. Измерительная катушка зонда через усилитель и фазочувствительный элемент подключена посредством кабеля к регистрирующему прибору, расположенному на поверхности. Переменный ток, протекающий по генераторной катушке, создает переменное магнитное поле (прямое и первичное), которое, в свою очередь, индуцирует в среде, окружающей зонд, вихревые токи, формирующие вторичное переменное магнитное поле той же частоты, что и первичное.

Первичное и вторичное переменные магнитные поля индуцируют э.д.с. в измерительной катушке. Непосредственное воздействие первичного поля на приемную катушку не связано с горными породами, поэтому э.д.с, индуцированная прямым полем, компенсируется встречной э.д.с, равной первой по величине и противоположной по фазе, с помощью дополнительных катушек или специальных электронных устройств.

Электродвижущая сила, генерируемая вторичным полем в измерительной катушке, состоит из двух составляющих -- активной и реактивной. Регистрирующим прибором фиксируется сигнал активной составляющей э.д.с, наиболее тесно связанной с электропроводностью окружающей среды.

В случае низкой проводимости среды э.д.с. активной составляющей прямо пропорциональна ее электропроводности. С ростом электропроводности среды э.д.с активного сигнала увеличивается медленнее и по более сложному закону. Нарушение пропорциональности между активным сигналом и электропроводностью среды связано с взаимодействием вихревых токов. Это явление называется скин-эффектом. Чем выше частота тока и электропроводность среды, тем значительнее взаимодействие вихревых токов и, следовательно, существеннее влияние скин-эффекта на показания индукционного метода.

Активный сигнал фиксируется на поверхности измерительным устройством в виде кривой, отражающей изменение электропроводности пород по разрезу скважины. Точкой записи кривой является середина расстояния между центрами генераторной и измерительной катушек. Единицей измерения электропроводности пород является сименс на метр (См/м) -- величина, обратная ом-метру (Ом•м). На практике используют тысячную долю сименса на метр--миллисименс на метр (мСм/м). В индукционных методах измеряется эффективная удельная электропроводность уэф, зависящая от проводимостей пласта, промывочной жидкости, зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости, вмещающих пород, от диаметра скважины, мощности пласта, а также размера и конструкции зонда. В связи с этим эффективная электропроводность в общем случае отличается от истинной удельной электропроводности изучаемого пласта упл.

Рисунок 1.1 - Схема индукционного зонда с элементарным витком ТГК.

ПК -- генераторная и приемная катушки, Т -- элементарное кольцо (тороид); Г -- генератор; У -- усилитель.

Обычный низкочастотный индукционный метод с продольным датчиком

Обычный низкочастотный индукционный метод основан на изучении электромагнитного поля продольного (вертикального) датчика, ось которого совпадает с осью скважины. В этом случае вихревые токи, индуцированные первичным полем, расположены в плоскостях, перпендикулярных к оси скважины, и не пересекают поверхностей раздела горизонтальных слоев.

На результаты измерений простейшим двухкатушечным зондом с целью определения истинного удельного сопротивления пласта значительное искажающее влияние оказывают скважина, зона проникновения и вмещающие породы, а также прямой сигнал от генераторной катушки. Для уменьшения влияния указанных факторов и исключения прямого сигнала X. Г. Долль предложил многокатушечные фокусирующие зонды.

Зонды обычного низкочастотного индукционного метода

Многокатушечный зонд представляет собой систему катушек, укрепленных на одном изоляционном стержне (рис. 2.1). Генераторная ГК и измерительная ПК катушки являются основными, остальные называются компенсационными К и фокусирующими Ф(ФМ) в генераторной ФГ и измерительной ФП цепях. Компенсационные катушки служат для исключения в измерительной катушке э.д.с. прямого поля, индуцируемого генераторной катушкой.

Фокусирующие катушки предназначены для уменьшения влияния неполезных сигналов путем создания в приемной цепи э.д.с, обратных по знаку э.д.с, вызванных вихревыми токами, которые циркулируют в скважине, зоне проникновения и вмещающих породах. Фокусирующее действие катушек достигается путем подбора числа их витков, расположения и включения их относительно главных катушек. Число дополнительных катушек, их взаимное положение и число витков должны быть такими, чтобы в значительной мере было исключено влияние скважины, зоны проникновения и вмещающих пород, а измеряемая эффективная электропроводность была как можно ближе к истинному значению электропроводности пласта. Компенсационные и фокусирующие катушки включаются последовательно с главными, по их витки намотаны противоположно виткам генераторной и измерительной катушек.

Рисунок 2.1 - Схема индукционного зонда

а -- 4Ф1 (аппаратура ПИК-1М, ВИК-1М); б --5Ф1.2 (аппаратура ИК-2); в -- 6Ф1 (аппаратура АИК-3, АИК-М); г --6Э1 (аппаратура Э-3, Э-ЗМ); д -- 8Ф1.4 (аппаратура АИК-4)

В обозначениях зондов первая цифра соответствует общему числу катушек, буква Ф означает, что зонд фокусирующий, последняя цифра отражает длину зонда. Например, индукционный зонд 6Ф1--шестикатушечный, фокусирующий, длиной 1м.

Эффективность применения индукционного метода при изучении разрезов скважин в значительной мере определяется выбором многокатушечного зонда с оптимальными параметрами. Многокатушечный зонд должен обеспечить измерение удельной электропроводности пород в достаточно широком диапазоне, существенно снизить влияния скважины, зоны проникновения и вмещающих пород, обладать значительной глубинностью исследования по горизонтали и отмечать на кривых уэф маломощные пласты.

Существуют трех-, четырех-, пяти- и восьмикатушечные зонды. Многокатушечные зонды делятся на симметричные и несимметричные. Симметричными зондами называются такие, у которых отмечаются симметрия в расположении фокусирующих катушек относительно точки записи и равенство произведений моментов катушек для всех симметрично расположенных фокусирующих пар. К симметричным зондам относятся пяти- и шестикатушечные, к несимметричным-- трех- и четырехкатушечные.

Различают зонды с внутренней фокусировкой (дополнительные катушки расположены в интервале между главными), внешней (дополнительные катушки находятся вне длины зонда) и со смешанной (дополнительные катушки расположены как внутри главных катушек, так и вне их).

Степенью фокусировки индукционного зонда Кф называется отношение сигнала в однородной среде Емн для многокатушечного зонда к сигналу для двухкатушечного зонда Едф , т. е.

Есть зонды со слабой фокусировкой (Кф ? 0,3) и сильной фокусировкой (Кф < 0,3).

Простейший многокатушечный зонд состоит из трех катушек-- двух главных (ГК и ПК) и одной фокусирующей. Фокусирующая катушка может быть включена или в генераторную цепь и в этом случае обозначается ФГ, или в приемную цепь и обозначается ФП. Показания зондов будут одинаковыми в связи с равенством их магнитных моментов.

В России для изучения разрезов нефтяных и газовых скважин применяются многокатушечные зонды 4Ф1; 5Ф1,2, 6Ф1, 6Э1, 8Ф1,4, за рубежом (фирма «Шлюмберже»)--зонды 5FF27, 5FF40 и 6FF40 (цифры в конце -- размер зонда в дюймах).

Аналогично пространственному фактору элементарных колец X. Г. Долль рассматривает пространственные факторы единичных плоско-параллельных горизонтальных тонких пластов bz и тонких цилиндрических слоев br. С помощью пространственных факторов можно определить радиальную и вертикальную характеристики индукционных зондов. В случае пласта большой мощности электропроводность среды по вертикали постоянна, а по радиусу изменяется. Неоднородное пространство в радиальном направлении рассматривается как состоящее из однородных коаксиально-цилиндрпческих элементарных слоев различной электропроводности. Каждый такой слой характеризуется своим радиальным пространственным фактором br. Зависимость br от отношения радиуса цилиндра к длине зонда r/Lu и показывает относительное влияние тонких цилиндрических слоев разного радиуса на величину сигнала (рис. 2.2, а). При r<<Lu значение пространственного фактора растет прямо пропорционально радиусу, при r = 0,45 Lи она становится максимальной, а при дальнейшем увеличении радиуса -- плавно стремится к нулю. Из графика br = f(r/Lu) следует, что наибольший вклад в сигнал вносят цилиндрические слои с радиусом, равным около половины длины зонда. Цилиндрические слои с очень малым и весьма большим радиусами вносят небольшой вклад в полный сигнал. Основную долю сигнала образуют концентрические слои, заключенные между цилиндрами с радиусами 0,4Lи и 1,5Lи. В случае однородной среды 80 % полного сигнала создает цилиндр радиусом r= 3Lи.

Рисунок 2.2 - Графики пространственных факторов тонкого цилиндрического слоя (а) и тонкого пласта (б) для двухкатушечного зонда (дифференциальные характеристики)

При конечной мощности пласта при dc>0 и отсутствии зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости электропроводность среды в радиальном направлении можно принять одинаковой, а пространство по вертикали разбить на элементарные плоско-параллельные горизонтальные тонкие слои. Каждый такой слой характеризуется осевым пространственным фактором bz. Зависимость bz от z/Lи показывает относительное влияние тонких слоев на величину сигнала в зависимости от расстояния от центра зонда (рис. 2.2, б). Если бесконечно тонкий слой находится между генераторной и приемной катушками, т. е. в пределах длины зонда, то влияние этого слоя на величину сигнала будет постоянным. При расположении бесконечно тонкого слоя за пределами катушек его влияние убывает обратно пропорционально (z/Lи)2. Пласт, имеющий мощность h = 3Lu даст 80 % полного сигнала.

Глубинность исследования зондов обычного низкочастотного индукционного метода по вертикали и горизонтали определяют их радиальные и вертикальные характеристики, называемые также графиками интегрального радиального пространственного фактора и интегрального вертикального пространственного фактора. Эти характеристики получены на основании приближенной теории Долля.

Радиальная характеристика определяет зависимость интегрального пространственного фактора Вr бесконечного по длине цилиндра от его радиуса r (рис. 2.3, а). С помощью этой характеристики для пласта большой мощности можно установить пространственные факторы скважины, зоны проникновения и неизмененной части пласта, а следовательно, узнать по формуле (1.30) ту долю сигнала, которую вносят те или иные участки среды в полный сигнал. Рассматриваемый график служит для приближенной оценки глубинности исследования индукционного зонда в радиальном направлении.

Вертикальная характеристика определяет зависимость интегрального пространственного фактора Вz слоя от мощности h в случае, когда середина зонда расположена в средней точке слоя (рис. 2.3, б). С помощью этой характеристики можно приближено оценить влияние вмещающих пород на показания описываемого метода.

Рисунок 2.3 - Графики радиального (а) и вертикального (б) пространственных факторов для двухкатушечного зонда (интегральные характеристики)

Приближенная теория Долля справедлива для сравнительно небольшой частоты питающего тока (до 20 кГц) и относительно высокого удельного сопротивления среды (свыше 2 Ом•м). При более высоких частотах измеряемого поля и низком сопротивлении пород значения уэф, рассчитанные по формулам, полученным на основе приближенной теории, отличаются от фактических упл (рис. 2.4). Более низкие значения уэф по сравнению с расчетными объясняются явлением скин-эффекта. В случае строгой теории, учитывающей явление скин-эффекта, радиальные и вертикальные характеристики многокатушечных зондов (рис. 2.5) отличаются от полученных на основании приближенной теории (рис. 2.3).

Рисунок 2.4 - Зависимости эффективной электропроводности от истинной электропроводности среды при измерениях на частотах 20 кГц (зонд 4Ф0,75) (1) и 50 кГц (зонд 5Ф1,2) (2).

Штриховая линия --линия равных значений

Радиальные характеристики позволяют: 1) установить те минимальные диаметры цилиндров, которые не оказывают заметного влияния на сигнал, т. е. диаметры зоны исключения; 2) определить те максимальные диаметры цилиндров, при которых влияние наружной среды весьма незначительно, т. е. глубинность исследования.

Вертикальные характеристики дают возможность: 1) установить ту минимальную мощность пласта, при которой он может быть зафиксирован; 2) определить ту предельную мощность пласта, при которой можно пренебречь влиянием вмещающих пород на величину полного сигнала.

Рисунок 2.5 - Радиальные (а) и вертикальные (б) характеристики многокатушечных зондов в неоднородной среде:

1 - 4Ф0.75; 2, 6 --4Ф1; 3, 7 -- 5Ф1.2; 4, 5 -- 6Ф1

Области применения обычного низкочастотного индукционного метода и решаемые им геологические задачи

индукционный метод датчик низкочастотный

Этот метод получил широкое распространение при исследовании разрезов нефтяных и газовых скважин с промывочными жидкостями сравнительно низкой минерализации (рр> 1 Ом * м). Кроме того, он может использоваться при изучении скважин с непроводящей промывочной жидкостью (известково-битумные растворы и др.). заполненных нефтью и закрепленных трубами из диэлектриков (асбоцементные и полимерные обсадные колонны).

Вихревые токи, индуцированные в пластах, перпендикулярных к оси скважины, практически не пересекают их границ, что существенно снижает влияние вмещающих пород на показания обычного индукционного метода. Благодаря применению фокусирующих устройств индукционные зонды имеют благоприятные вертикальные и радиальные характеристики, что позволяет частично исключить влияние скважины, зоны проникновения и вмещающих пород на эффективную электропроводность.

Индукционный метод наиболее чувствителен к прослоям повышенной электропроводности и почти не фиксирует прослои высокого удельного сопротивления, т. е. при замерах уэф отсутствует явление экранирования, присущее обычным зондам методов КС квазипостоянного тока. Индукционные зонды сравнительно небольших размеров (0,75--1,40м) обладают значительным радиусом исследования, превышающим примерно в 4 раза радиус исследования обычных градиент-зондов КС.

Применение обычного низкочастотного индукционного метода ограничено в случае использования соленых промывочных жидкостей, наличия зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости, понижающей сопротивление пласта, и при исследовании пород удельного сопротивления свыше 50 Ом•м.

Обычный низкочастотный индукционный метод позволяет более детально расчленять разрезы скважин, сложенные породами низкого удельного сопротивления, выделять водоносные и нефтегазоносные пласты, изучать строение переходной зоны и уточнять положение контактов вода--нефть, вода--газ, определять истинное удельное сопротивление пород до 50 Ом*м.

Высокочастотные индукционные методы

В высокочастотных индукционных методах исследования скважин используются частоты питающего тока от 0,5--1,0 МГЦ до нескольких десятков мегагерц. При таких частотах в соответствии с первым уравнением Максвелла для гармонически изменяющегося поля величина полезного сигнала определяется как токами проводимости, так и токами смещения.

Высокочастотные индукционные методы включают абсолютный, относительный, разностный и разностно-относительный. В абсолютном методе измеряется амплитуда э.д.с, возникающей в измерительной катушке, в относительном -- отношение амплитуд двух сигналов, в разностном -- разность сдвига фаз или амплитуд составляющих электромагнитного поля и в разностно-относителыюм -- отношение разности амплитуд к одной из амплитуд поля.

Среди высокочастотных индукционных методов наиболее полно разработаны обычный высокочастотный индукционный метод (ВИМ), волновой метод проводимости (ВМП) и метод высокочастотного индукционного изопараметрического зондирования (ВИИЗ).

Обычный высокочастотный индукционный метод

Изучение низкочастотным индукционным методом пород с удельным электрическим сопротивлением свыше 50 Ом*м невозможно из-за низкого уровня получаемого сигнала.

Относительный уровень величины активной э.д.с. вторичного поля Еакт в долях прямого поля Еп.п для двухкатушечного зонда при незначительном скин-эффекте (высокоомная среда) определяется выражением

(31)

где f--циклическая частота, Гц; рп--удельное сопротивление среды, Ом•м; Lн -- длина зонда, м.

Из (31) следует, что уровень сигнала уменьшается с ростом удельного сопротивления среды и увеличивается за счет удлинения зонда и повышения частоты тока питания генераторной катушки. Увеличивая размер зонда с целью повышения уровня полезного сигнала, можно ухудшить его вертикальные характеристики, т. е. уменьшить разрешающую способность по вертикали. Увеличивать активную э.д.с. целесообразнее всего, как показали теоретические и экспериментальные исследования, за счет повышения частоты, так как в этом случае улучшаются вертикальные характеристики и сохраняются радиальные.

Расчеты показывают, что при минимальном уровне полезного сигнала, равного 1 % от прямого сигнала, и сопротивлении пород 150--200 Ом•м необходимо увеличить частоту поля до 1--3 МГц. Однако с повышением частоты изменяется и минимальная величина регистрируемого удельного сопротивления. Так, для трехкатушечного зонда длиной 1 м при частоте 1,5 МГц она составляет 1,5--2,0 Ом-м. Для определения удельного сопротивления пластов в более широком диапазоне С.М. Аксельрод предлагает использовать две частоты: 10-- 50 кГц для интервала сопротивлений 0,3--20 Ом•м и 1 -- 3 МГц -- для 10--200 Ом*м.

Глубинность исследования высокочастотным зондом с продольным датчиком в пластах с рпл = 20 Ом•м составляет 3,5 м, а при рпл = 80 Ом-м --более 4 м. Диаметр зоны исключения равен 0,6 м.

Высокочастотная аппаратура ВИК-1М и ВИК-100 основана на использовании зонда 4Ф1. Электропроводность пород измеряется при частоте возбуждающего поля 1 МГц.

Первичный материал на скважине

Индукционный каротаж (ИК) основан на измерении кажущейся удельной электрической проводимости к пород в переменном электромагнитном поле в частотном диапазоне от десятков до сотен килогерц.

Единица измерения - Сименс на метр (См/м), дробная - миллиСименс на метр (мСм/м).

На куломзинских аргиллитах уровень записи ИК около 200 мСм/м.

На баженовской свите 35-40 мСм/м.

На георгиевской свите аномалия более 300 мСм/м.

Против угольных пластов и в высокоомных породах палеозоя значения удельной проводимости близки к нулю, может быть даже «зануливание» кривой ИК

Показания ИК сравниваются на глинах по уровням с A4.0M0.5N.

Заключение

Задачи, решаемые с помощью индукционного каротажа, в принципе, те же, что и методами КС и БК. Разница в условиях применения . Так, метод КС в модификации БКЗ обладает существенными преимуществами перед БК и ИК, поскольку позволяет с высокой эффективностью осуществить зондирование пород в радиальном направлении. Эффективность обусловлена легко реализуемой возможностью обеспечить достаточно протяжённую и густую сетку измерений по длине зонда L. Вместе с тем, этот метод применим в основном в области средних значений отношений сп/сс и сп/свм, а также в пластах сравнительно большой мощности.

Метод БК обладает более высокой разрешающей способностью по вертикали и работоспособен при больших отношениях сп/сс. Однако он не эффективен при повышающем проникновении и высоком сопротивлении ПЖ. Метод ИК, напротив, целесообразно применять при малых отношениях сп/сс и повышающей зоне проникновения, а так же при большом и даже стремящемся к бесконечности сопротивлении скважины. В пластах малой мощности диаграммы БК и ИК искажены гораздо меньше, чем диаграммы метода КС. Сказанное предопределяет комплексирование трех рассматриваемых методов, причём в настоящее время оно выполняется не только на методическом уровне в процессе интерпретации, но и аппаратным путём.

В целом, индукционный каротаж применяют в первую очередь для изучения глин и глинистых пластов, песчаников и карбонатов, насыщенных сильно минерализованной пластовой водой, рудоконтролирующих и угленосных формаций, в том числе в сухих и обсаженных непроводящими трубами скважинах. Его активно используют для выделения и исследования нефтегазовых отложений в скважинах, пробуренных в терригенных разрезах на слабоминерализованных и непроводящих (известково-битумных) промывочных жидкостях.

Список литературы

1. Горбачёв Ю.И. Геофизические исследования скважин.

2. Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин.

Размещено на Allbest.ru