Метод микрозондирования (микрокаротаж)

Для определения электрического сопротивления части пласта, непосредственно прилегающей к скважине, и детального расчленения разреза используются микроустановки с малой глубиной исследования – микрозонды.

Каротаж обычными микрозондами (МКЗ) называют каротажный зонд малой длины, электроды которого размещены на внешней стороне башмака из изоляционного материала (рисунок 1). При работе башмак с электродами прижимается пружинами к стенке скважины, чем достигаются экранирование зонда от бурового раствора и уменьшение влияния раствора на результат измерений.

Микрозондирование проводят с одновременной записью кривых микроградиент- (МГЗ) и микропотенциал-зондов (МПЗ).

Рисунок 1а - Расположение электродов на башмаке скважинного прибора; 2а - Принципиальная схема измерений микрозондами.

 

Из трех электродов на «башмаке» собирают 2 микрозонда: микроградиент-зонд A0,025M0,025N с размером АО = 0,037 м и микропотенциал-зонд А0,05М, у которого электродом N служит корпус прибора, его длина AM = 0,05 м. Обратный токовый электрод В установлен на косе прибора на расстоянии 1 м от корпуса.

Кажущееся удельное сопротивление микроустановок подсчитывается по формулам для обычных градиент- и потенциал-зондов:

ρ_k = k · ∆U / I, (1)

где ∆U – разность потенциалов между приемными электродами M и N;

I – сила тока в питающей цепи;

k – коэффициент микрозондов, который определяют экспериментально по результатам измерений в баке, заполненном раствором NaCl с известным удельным сопротивлением.

Поскольку радиус исследования микроградиент-зонда составляет около 4 см, а микропотенциал-зонда 10 – 12 см, то микроградиент-зонд против проницаемых пластов изучает в основном сопротивление глинистой корки, а микропотенциал-зонд – сопротивление пород в пределах промытой зоны, где основным флюидом является фильтрат промывочной жидкости, а также остаточные нефть и газ.

На пластах-коллекторах отмечается положительное приращение – превышение значений МПЗ над значениями МГЗ.

На глинах зоны проникновения бурового раствора нет, поэтому оба зонда измеряют одно и то же - сопротивление глин.

Из-за большой разницы в УЭС карбонатных пород и бурового раствора малейшие трещинки на стенках скважины, оказавшиеся между электродами, сильно снижают кажущееся сопротивление (КС) между ними. По этой причине обе кривые получаются сильно изрезанными с незакономерными взаимными пересечениями. Примерный вид диаграмм микрозондов на схематизированном геологическом разрезе, включающем в себя глины, песчаники и известняки, показан на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Схематизированный геологический разрез (а) и диаграммы микрозондов (б) над ним

 

Микрозонды МПЗ и МГЗ предназначены для:

- выделения коллекторов в терригенных разрезах скважин,

- выделения тонких пластов,

- исследования пород на небольшую глубину,

- определения сопротивления ПЖ и части пласта, прилегающей к стенке скважины,

- определение толщины глинистой корки и пленки.

Влияние промежуточного слоя на показания обычных микрозондов очень велико и сильно сказывается на величине КС. Это серьезно затрудняет интерпретацию данных микрокаротажа, которые поэтому используются только для качественной характеристики разреза скважины.

 

Боковой микрокаротаж БМК (микрозонд с фокусировкой тока). При БМК применяют микрозонд с фокусировкой тока основного токового электрода, благодаря чему влияние промежуточного слоя на показания микрозонда уменьшается. БМК измеряет сопротивление прискважинной части пласта (промытой зоны) двухэлектродной установкой, состоящей из центрального токового электрода Ао и окружающего его экранного электрода Аэ, укрепленных на внешней поверхности измерительного башмака, прижимаемого к стенке скважины (рисунок 3). Электроды Ао и Аэ занимают всю внешнюю поверхность башмака, кроме изоляционного промежутка шириной 5 мм, который отделяет их друг от друга.

 

 

Рисунок 3 – Двухэлектродный зонд микробокового каротажа

Такая установка по принципу действия аналогична зонду трехэлектродного бокового каротажа. Через электроды Аэ и Ао пропускают ток одинаковой полярности так, чтобы потенциал обоих электродов сохранялся постоянным. Благодаря этому ток электрода Ао распространяется перпендикулярно оси башмака и стенки скважины в виде цилиндрического пучка, расходящегося в породе на расстояние 8 – 10 см.

Кажущееся удельное сопротивление подсчитывается по формуле:

ρ_k = k · U / I_о, (2)

где U – потенциал электрода Аэ (и Ао), измеряемый относительно корпуса микрозонда;

I_о – сила тока через основной электрод Ао;

k – коэффициент микрозонда.

При этом существенно уменьшается влияние глинистой корки и промывочной жидкости повышенной минерализации, что позволяет более точно (в отличие от обычного микрозондирования) определять сопротивление промытой зоны пласта.

Микробоковой каротаж предназначен для:

- выделения коллекторов в терригенных разрезах скважин,

- выделения тонких пластов,

- исследования пород на небольшую глубину,

- определения сопротивления ПЖ и части пласта, прилегающей к стенке скважины,

- для выделения в разрезе скважин коллекторов путем сопоставления кривых МБК и трехэлектродного бокового каротажа. В плотных пластах проникновение отсутствует ρ_к^МБК ≈ ρ_к^БК, а в проницаемых – ρ_к^МБК ≠ ρ_к^БК.

Границы пластов по данным МБК отбивают по середине спада кривой.

Масштаб регистрации КС 0.5 или 1.0 Омм/см. Масштаб глубин 1:200.

Боковой каротаж

При электрическом каротаже скважин, разрез которых представлен породами высокого сопротивления (карбонатными породами, гидрохимическими отложениями), а также скважин, заполненных минерализованной промывочной жидкостью, эффективность обычных зондов КС резко падает. Из-за большого влияния скважины кривые КС, полученные градиент- и потенциал-зондами, плохо расчленяют разрез. Для повышения эффективности электрического каротажа в таких условиях применяют зонды с дополнительными, так называемыми фокусирующими (или экранными) электродами. Через экранные электроды пропускается ток в том же направлении, что и через основной токовый электрод зонда. Роль экранных электродов заключается в том, чтобы препятсятвовать растеканию тока основного токового электрода по скважине и обеспечить направление его непосредственно в исследуемый пласт. Управление полем зонда с помощью указанных электродов называют фокусировкой зонда, а каротаж сопротивления зондами с экранными электродами и фокусировкой тока – боковым каротажем (БК).

Наиболее ценные результаты метод БК дает при каротаже тонких пластов (h<1,2м), при большой разнице в сопротивлениях между пластами, вмещающими породами и буровым раствором. Т.е. именно в тех случаях, когда обычные зонды дают очень плохие результаты из-за экранирования тока тонкими высокоомными пластами и из-за сильного влияния скважины и вмещающих пород.

При регистрации БК применяют трех-, семи- и девятиэлектродные зонды.

Принцип действия трехэлектродных зондов БК основан на том, что в зонде, помимо основного питающего электрода А₀, имеются дополнительные – фокусирующие электроды А₁ и А₂ (рис. 1а). При производстве ГИС через основной и экранированные электроды пропускают ток одной полярности, в результате чего обеспечивается равенство их потенциалов. Поскольку на все электроды зонда БК подается одинаковый ток, происходит фокусировка силовых линий тока центрального электрода по оси перпендикулярной оси скважины и ток направляется в пласт, толщина тока приблизительно равна длине основного электрода. Этим достигается значительное снижение влияния бурового раствора, вмещающих пород и ограниченной мощности пластов при измерении сопротивлений методом бокового каротажа сравнительно с БКЗ.

 

Рисунок 1 – Схемы каротажа с трехэлектродным (а) и семиэлектродным (б) зондами

 

Боковой трехэлектродный зонд состоит из центрального электрода А₀ и двух экранных А₁ и А₂, разделенных изолирующими промежутками (электроды линейные). Центральный электрод А₀ имеет длину 0,15 м, экранные A₁ и А₂ – по 1,5 м. Длина зонда – расстояние между серединами изолированных интервалов (≈ длина электрода А₀). Общая длина зонда – расстояние между внешними концами экранирующих электродов. Результат измерений относят к точке А₀.

Ток, вырабатываемый генератором Г поддерживается постоянным. В процессе каротажа измеряется разность потенциалов между одним из токовых электродов и удаленным от зонда электродом N, расположенным на корпусе прибора. Величину кажущегося сопротивления определяют:

ρ_к = k·ΔU_кс / I₀, (1)

где k – коэффициент зонда;

I₀ – сила тока, текущего через центральный электрод;

DU_кс – зарегистрированная разность по­тенциалов.

 

При выборе трехэлектродного бокового каротажного зонда необходимо учитывать влияние его размеров на значения КС:

- с увеличением размера зонда L улучшается фокусировка зонда и несколько возрастает его радиус исследования;

- с уменьшением диаметра зонда d_з возрастает влияние скважины на показания зонда, поэтому значение d_з не должно быть меньше 0,25 d_с;

- уменьшение L₀ улучшает расчленяющую способность зонда, т.е. уменьшает влияние вмещающих пород на показания зонда, однако при L₀ < 0,3d_c резко ухудшаются условия и точность измерения.

Недостаток трехэлектродного варианта БК - в плохой разрешающей способности по мощности пластов. Поскольку центральный электрод линейный, аппаратура не дает возможности определения мощности пластов меньшей, чем длина центрального электрода. Удельное электрическое сопротивление будет повышенным все время, пока А₀ проходит мимо пласта.

 

Преимущество БК в его высокой разрешающей способности по вертикали, по сравнению с нефокусированным методом БКЗ.

Решаемые БК геологические задачи:

- литологическое расчленение тонкослоистого разреза,

- выделение коллекторов,

- определение пористости в высокоомном разрезе,

- определение удельного электрического сопротивления пласта,

- работает в случае высокоминерализованной заполняющей скважину жидкости.

Рис. 2 – Литологическое расчленение разреза комплексом методов ГИС (по В.Н. Рукавицыну): 1 – песчаник пористый; 2 – мергели; 3 – аргиллиты; 4 – песчаник плотный.