Диаграммы экранированных зондов (БК)

Под боковым каротажом (БК) понимают каротаж сопротив- ления 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 много- электродными (семь, девять электродов) и трехэлектродным зон- дами (рис. 23).

 

Рис. 23. Схемы зондов бокового каротажа.

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

Трехэлектродный зонд (БК-3) состоит из трех электродов уд- линенной формы. Центральный (основной) электрод А ₀ и распо- ложенные симметрично ему два экранирующих А ₁ и А ₂ представ- ляют собой металлические цилиндры, разделенные между собой тонкими изоляционными прослойками. Через электроды пропус- кают ток, который регулируется так, чтобы потенциалы всех трех электродов поддерживались одинаковыми. Это достигается путем соединения основного электрода А с экранными через малое со- противление (r = 0,01 Ом), которое используется также для изме- рения силы тока через центральный электрод. Такой зонд можно рассматривать как единое проводящее тело, в котором потенциалы всех электродов равны (U_{А 1} = U_{А 0} = U_{А 2}), а токовые линии основно- го электрода вблизи зонда перпендикулярны к его оси.

Кажущееся удельное сопротивление определяется по разности потенциалов ∆ U _кс между электродами А ₀ и N, расположенными в удалении, и рассчитывается по формуле ρ = K (∆ U / I). Результат измерения зондом БК относят к середине электрода А ₀. Записывая изменение ∆ U _кс и поддерживая силу тока I ₀ в основном электроде постоянной, получают кривую КС. Коэффициент трехэлектрод- ного зонда определяют в однородной среде с удельным сопротив- лением ρ_п, считая ρ_к = ρ_п. Характерными для него константами являются длина зонда L ₃, соответствующая расстоянию между серединами изолированных интервалов (приблизительно длине основного электрода А ₀), общая длина зонда L _общ и его диаметр d ₃.

В трехэлектродном зонде ток, вытекающий из А ₀, вследствие эк- ранирования собирается в почти горизонтальный слой, имеющий форму диска, толщина которого приблизительно равна L _з (рис. 24).

Семиэлектродный зонд состоит из центрального электрода А ₀, двух пар измерительных М ₁, М ₂, N ₁, N ₂ и одной пары токовых экран- ных электродов А ₁ и А ₂. Электроды каждой пары соединены между собой и симметрично расположены относительно электрода А ₀. Через последний пропускают ток силы I ₀, который поддерживается посто- янным в процессе регистрации. Через экранные электроды А ₁ и А ₂

протекает ток I _э той же полярности, но такой силы, чтобы разность потенциалов между электродами М ₁ и N ₁ или М ₂ и N ₂ равнялось нулю. Замеряют падение потенциала одного из измерительных элек- тродов М ₁, М ₂ или N ₁, N ₂ относительно электрода N, удаленного на значительное расстояние от токовых электродов, чтобы избежать влияния их электрического поля. Выносить электрод N на поверх- ность нежелательно из-за индуктивных помех.

Результат измерений зондом БК относят к точке А ₀. За длину зонда L _з принимают расстояние между серединами интервалов М ₁ N ₁ и М ₂ N ₂ (точками О ₁ и О ₂). Расстояние между экранирующи- ми электродами А ₁, А ₂ называют общим размером зонда L _общ. Кроме того, для характеристики зонда введено понятие параметр фокуси- ровки: q = (L _общ – L _з) / L _з.

Кажущееся удельное сопротивление пород находят по данным замера разности потенциалов ∆ U _кс и силы тока I₀ через основной электрод А ₀. Для определения коэффициента зонда K исходят из известного положения, что в однородной и изотропной среде из- меренное сопротивление соответствует истинному. При боковом каротаже благодаря наличию экранных электродов А ₁ и А ₂ токовые линии распространяются горизонтально в пределах слоя толщи- ной, равной приблизительно длине зонда (О ₁, О ₂).

Разность потенциалов между электродами М ₁ N ₁ и М ₂ N ₂ равна нулю, следовательно, сила тока вдоль оси скважины на этом интервале также равна нулю. Дело обстоит так, как будто скважи- на и прилегающие к ней участки пласта выше и ниже электрода А ₀ заменены пробками из изолирующего материала. Напряжение

∆ U _кс, измеряемое зондом БК, представляет собой падение потен- циала от скважины до удаленной точки по пласту. В связи с этим ρ_к зависит в основном от удельного сопротивления пород; влияние скважины и вмещающей среды на результаты измерений при БК снижается. Величины КС, зарегистрированные при БК, более близки к истинным значениям ρ_п по сравнению с КС, замеренными обычными зондами.

На рис. 24 дано схематическое изображение распределения токовых линий из электрода А ₀, расположенного против пласта высокого сопротивления при обычном методе КС (рис. 24, а) и БК (рис. 24, б).

а                            б

Рис. 24. Распределение токовых линий, выходящих против середины пласта высокого сопротивления электрода А 0 обычного зонда (а) и зонда бокового каротажа (б)

Глубина исследования при боковом каротаже тем больше, чем больше расстояние между экранными электродами А ₁ и А ₂. БК имеет преимущества перед обычными электрозондами – даже тонкий пласт при неблагоприятных условиях (ρ_п / ρ_с = 1000) четко выделяется на кривой БК и слабо выражен на кривых нефокусиро- ванных потенциал- и градиент-зондов.

Девятиэлектродный зонд псевдобокового каротажа (ПБК) об- ладает малой глубинностью исследования и применяется для изу- чения зоны пласта, прилегающей к скважине. Это семиэлектрод- ный зонд, на внешней стороне которого находятся два обратных

токовых электрода В ₁ и В ₂, симметрично расположенных относи- тельно центрального А ₀ (рис. 23, б). Через электроды В ₁ и В ₂ замы- кается цепь тока I ₀ и I _э. В результате токовые линии от централь- ного электрода А ₀ не текут в глубь пласта, а растекаются в непо- средственной близости от скважины (слой токовых линий I ₀ с удалением от скважины быстро расширяется). На этом участке происходит значительное падение потенциала, характеризуя в ос- новном удельное сопротивление пласта, прилегающего к скважине.

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

Кривые сопротивления, получаемые при БК, аналогичны кри- вым, регистрируемым в обычном каротаже потенциал-зондом, улучшение результатов измерений достигается благодаря фокуси- ровке тока. На рис. 25 показаны характерные кривые сопротивле- ния, записанные трехэлектродным зондам БК. Как видно, при оди- наковом удельном сопротивлении вмещающих пород кривые КС против однородных пластов высокого сопротивления отмечаются максимумами, которые принимают формы острой пики против тонких пластов (h £ 4 d _с); против мощных пластов (h > 16 d _с) на- блюдается горизонтальный интервал в средней части. Если поро- да, подстилающая пласт и перекрывающая его, имеет различное сопротивление, максимум против пласта высокого сопротивления становится асимметричным, наблюдается снижение сопротивле- ния со стороны породы меньшего сопротивления.

Границы пластов по кривым зонда БК-3 соответствуют точ- кам на спаде кривой с определенным значением кажущегося удельного сопротивления (граничного сопротивления ρ_к.гр), вели- чина которого зависит в общем случае от ρ_вм, а для понижающего проникновения – еще и от диаметра зоны проникновения D. Опре- делить местоположение точки с сопротивлением ρ_к.гр визуально трудно, т. к. эта точка не является характерной для кривой сопро- тивления. При измерениях трехэлектродным зондом бокового ка-

ротажа достаточно большого размера (зонд АБК-3) влияние огра- ниченной мощности пласта с большим удельным сопротивлением определяется в основном соотношением мощности пласта и диа- метра скважины.

 

Рис. 25. Кривые сопротивления против одиночного пласта высокого сопротивления, полученные трехэлектродным зондом бокового каротажа

В общем случае влияние ограниченной мощности пласта на результаты измерений трехэлектродного и семиэлектродного зон- дов тем больше, чем меньше ρ_вм / ρ_с. Из сказанного следует, что определение ρ_п по данным замера одним зондом БК затруднитель- но, 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 каротажем (МБК) понимают микрокаротаж с фокусировкой тока. На прак- тике применяют четырехэлектродный, двухэлектродный и трех- электродный микрозонды (рис. 26). Электроды зонда смонтиро- ваны на резиновом башмаке с рабочей кривизной поверхности 200 мм.

 

Рис. 26. Схема двухэлектродного бокового микрозонда и характер распределения токовых силовых линий:

1 – башмак микрозонда; 2 – изучаемая среда. Заштрихованы области фокусировки тока

Электрод А ₀ имеет размеры 15×70 мм; длина экранного электрода А _э 208 мм, ширина – 102 мм. Через центральный электрод А ₀ протекает постоянный ток I, а через экранный элек- трод А _э пропускают ток такой же полярности, как и через А ₀. Сила тока регулируется так, чтобы разность потенциалов между электродами М и N была равна нулю. Кажущееся удельное со- противления получают путем измерения потенциалов одного из электродов М или N относительно удаленного измерительного электрода.

Малые расстояния между электродами в МБК обусловливают небольшую глубину исследования. Однако благодаря наличию

экранного электрода А _э ток из электрода А ₀ распространяется по пласту вблизи скважины пучком, практически перпендикулярным к ее стенке. Вследствие этого заметно уменьшается влияние гли- нистой корки и пленки промывочной жидкости между башмаком и стенкой скважины. Практически влиянием глинистой корки тол- щиной менее 8 мм можно пренебречь. Измеряемое кажущееся со- противление вычисляется по формуле, а коэффициенты зондов определяются экспериментально.

Интерпретация диаграмм МБК заключается главным образом в оценке удельного сопротивления промытой части пласта ρ_пп. В карбонатном разрезе по характеру дифференцированности кривой сопротивления ρ_к МБК различают плотные и трещино- вато-кавернозные породы (против трещиновато-кавернозных пород кривая ρ_к БКЗ характеризуется резкой дифференцирован- ностью). На показания МБК высокопроводящая (высокоминера- лизованная) 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 по- казания МБК глинистой корки и слоя бурового раствора исполь- зуются палетки.

Т. к. данные МБК дают возможность измерять значения удель- ных сопротивлений пород в зоне их непосредственного приле- гания к стенке скважины, то по данным ρ_пп можно определить пористость или остаточную нефтенасыщенность пород. Из-за малых размеров зонда экранирование тока на границах пластов существенно снижается, что способствует детальному расчле- нению 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, получен- ных микрозондами с фокусировкой тока.

Индукционный каротаж

Индукционный каротаж (ИК) является электромагнитным методом, основанным на измерении кажущейся удельной элек- трической проводимости горных пород. ИК выгодно отличается от каротажа обычными зондами и от БК тем, что применим не только в скважинах, заполненных промывочной жидкостью (прово- дящей ток), но и в скважинах с непроводящей жидкостью (неф- тью или промывочной жидкостью, приготовленной на нефтяной основе), воздухом или газом.

Измерения при индукционном каротаже производятся с по- мощью спускаемого в скважину глубинного прибора, состоящего в наиболее простом виде из двух катушек: возбуждающей, питае- мой переменным током, и приемной (измерительной), снабженной усилителем и выпрямителем (рис. 27).

Электронная схема прибора обеспечивает питание генератор- ной 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 окру- жающих породах вихревые токи. В однородной среде силовые линии тока представляют собой окружности с центром по оси скважины (если ось глубинного прибора совпадает с осью сква- жины). Вихревые токи в породах создают вторичное магнитное поле.

Первичное и вторичное переменные магнитные поля индуци- руют ЭДС в приемной катушке. Индуцированная первичным по- лем ЭДС Е ₁ является помехой и компенсируется введением в цепь приемной катушки равной ей ЭДС и противоположной по фазе. Остающаяся в измерительной цепи ЭДС Е ₂, индуцированная вторичным магнитным полем вихревых токов, подается в измери- тельный преобразователь для усиления и преобразования, после чего посылается по жиле кабеля на поверхность, где записывается регистрирующим прибором.

 

Рис. 27. 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 удельной электрической прово- димостью (электропроводностью) породы. Соответственно ЭДС Е ₂, наведенная вторичным полем в измерительной катушке, в первом приближении пропорциональна электропроводности горных по- род σ_п, следовательно, пропорциональна их удельному сопротивле- нию. Зарегистрированная по стволу скважины кривая должна характе- ризовать изменения удельной электропроводности породы в разрезе.

В однородной изотропной среде с удельной электропроводно- стью σ_п, когда частота тока питания и проводимость среды неве- лики (взаимным влиянием вихревых токов можно пренебречь)

Е ₂ = K _з σ_п,

где K _з – коэффициент зонда.

На практике измеряется не ЭДС Е ₂, а пропорциональная ей величина получаемого при индукционном каротаже сигнала:

Е _с = С Е ₂,

где С – коэффициент пропорциональности.

И далее получаем

σ_п = Е ₂ / K _з = Е _с / C · K _з = Е _с / K _с.

Здесь K _с – коэффициент для перехода от величины сигнала к удельной 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 электропроводно- сти характеризует кажущуюся проводимость σ_к аналогично кажу- щемуся удельному сопротивлению ρ_к. В результате измерений ве- личину сигнала Е _с определяют следующим образом:

σ_к = 1 / ρ_к = Е _с / K _с.

Величина коэффициента K _с выбирается с таким расчетом, чтобы в однородной среде σ_к соответствовала σ_п.

Удельная 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 удельной проводимости, регистрируемая в ИК, практически линейно отражает изменение проводимости среды. Она соответствует перевернутой кривой кажущихся сопро- тивлений в практически гиперболическом масштабе сопротивле- ний. Благодаря этому усиливается дифференциация кривой против пород, имеющих низкое удельное сопротивление, и происходит сглаживание ее против пород с высоким удельным сопротивлени- ем (рис. 28).

Для получения более точных данных об удельной электриче- ской проводимости пород в зонд ИК, кроме двух главных катушек, включают несколько дополнительных генераторных и измеритель- ных катушек, называемых фокусирующими. Назначение дополни- тельных катушек – в комплексе с главными уменьшить влияние про- мывочной 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 измери- тельной) катушками (точка записи О на рис. 27).

Форма кривой и определение границ пластов при ИК зависят от характера токовых линий, образующих вокруг оси скважины замкну- тые окружности, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной к оси прибора. Влияние скважины на показания ИК в общем случае зависит от d _с, ρ_с и отношения ρ_п / ρ_с. В случае высокоминерализован- ной промывочной жидкости (ρ_с < 1 Ом × м) и достаточно высокого сопротивления удельных пород (ρ_п / ρ_с > 20) влияние скважины ста- новится заметным и учитывается при интерпретации диаграмм ИК с помощью специальных палеток.

Влияние зоны проникновения на результаты ИК невелико при повышающем проникновении. Понижающее проникновение ока- зывает значительное влияние, начиная с проникновения промы- вочной жидкости на глубину, превышающую три диаметра сква- жины (D > 3 d _с).

 

Рис. 28. Расчленение разреза по диаграмме индукционного каротажа. Пласты удельного сопротивления: 1 – высокого; 2 – среднего; 3 – низко- го. Точки на кривой ИК соответствуют границам пластов

В индукционном каротаже, в отличие от других методов со- противления, не требуется непосредственного контакта измери- тельной установки с промывочной жидкостью. Это дает возмож- ность применять ИК в тех случаях, когда используются непрово- дящие промывочные жидкости (приготовленные на нефтяной ос- нове), а также в сухих скважинах.

Благоприятные результаты получают при исследовании разрезов низкого и среднего сопротивлений и наличии повышающего проник- новения фильтрата бурового раствора в пласт. По диаграмме ИК можно более точно определить удельное сопротивление низкоомных

водоносных коллекторов и положение ВНК. Применение ИК ограни- чено при соленой промывочной жидкости и высоком удельном со- противлении пород. ИК рекомендуется проводить в комплексе с дру- гими методами сопротивлений, а также с методом ПС.