Методика и техника проведения исследований в скважине

Индукционный каротаж основан на измерении напряженности переменного магнитного поля вихревых токов, возбужденных в породах полем опущенного в скважину источника.

Возбуждение и измерение переменного магнитного поля в скважине осуществляется с помощью индукционного каротажного зонда. Наиболее простой зонд ИК состоит из двух катушек – генераторной и измерительной, расположенных соосно на расстоянии, равном длине индукционного зонда L. Эти катушки часто называют главными. Через генераторную катушку пропускают переменный с частотой несколько десятков килогерц (до 50 кГц).

На практике среда, окружающая зонд ИК, неоднородна, поэтому измеряемая величина γ является не истиной проводимостью пород, а кажущейся - . На результаты измерений оказывают влияние вмещающие породы, соседние пласты, скважина и зона проникновения ЗП. Чем больше неоднородность среды, тем больше величина отличается от .

Чтобы получить более точные данные о , в индукционный зонд дополнительно к главным катушкам вводят генераторные и измерительные катушки, называемые фокусирующими. Число фокусирующих катушек, их расположение относительно главных катушек и число витков выбирают таким образом, чтобы влияние скважины и вмещающих пород свести до минимума, а влияние ЗП регулировать в соответствии с назначением зонда ИК.

Зонды с фокусирующими катушками называют фокусированными индукционными каротажными зондами. В современной аппаратуре ИК применяются только фокусированные зонды. В каждом фокусированном зонде имеется пара главных катушек (генераторная и измерительная), образующих главный зонд и отличающихся наибольшим числом витков. Результаты измерений зондом ИК относят к середине расстояния между его главными катушками. В зависимости от того, расположены ли фокусирующие катушки внутри или вне главного зонда, фокусировка считается внутренней или внешней. Основной задачей внешней фокусировки является снижения влияния вмещающих пород на показания зонда, а задачей внутренней фокусировки - снижение влияния скважины и зоны проникновения. Многие зонды имеют одновременно внутреннюю и внешнюю фокусировки.

Зонд ИК обозначают шифром, первая цифра которого соответствует числу катушек, а вторая – длине зонда. Так, шифр 6Ф1 обозначает фокусированный зонд с шестью катушками длиной 1 м.

Специальным зондом ИК является зонд индукционного каротажа поперечной проводимости ИКП. Его отличительная особенность заключается в горизонтальном расположении всех катушек. Благодаря этому измеряемая

Рисунок 7.3 -Принципиальная схема прибора индукционного каротажа

а – пространственная схема; б – разрез вдоль оси скважины; 1 – генератор; 2 – генераторная катушка; 3 – усилитель; 4 – приемная катушка; 5 – кожух для усилителя и генератора; L – длина зонда

зондом ИКП зависит от поперечной удельной проводимости пласта, в отличие от обычных зондов ИК, показания которых определяются продольной удельной проводимостью. Индукционный каротаж поперечной проводимости предназначен для изучения анизотропных пластов.

Существующие скважинные приборы ИК рассчитаны на работу, как с одножильным, так и с трехжильным кабелем. Точкой, к которой относят результаты измерений, является середина расстояния между главными (токовой и измерительной) катушками (точка записи О).

Для проведения индукционного каротажа разработаны и используются несколько видов аппаратуры, различающихся устройством зонда, особенностями схемы и рабочими параметрами. В общем случае аппаратура состоит из скважинного прибора и наземной панели управления, соединяемых геофизическим кабелем.

На рис.7.4 показана блок-схема аппаратуры индукционного каротажа с включением фокусирующих катушек в зонд 6Ф1.

Зонд содержит две главные (генераторную Г и измерительную И) и четыре фокусирующие катушки. Расстояние между главными катушками равно 1 м. Внешние фокусирующие катушки и подключены навстречу главным и предназначены для улучшения вертикальной характеристики зонда – уменьшения влияния вмещающих пород при ограниченной мощности пласта. Внутренние фокусирующие катушки и включены согласно (синфазно) с главными и предназначены для корректировки радиальной характеристики зонда. Расстояния между ними указаны в метрах.

Генераторные катушки питаются от электронного генератора ЭГ током частотой несколько десятков килогерц. Для питания схемы скважинного прибора служит источник переменного тока на поверхности ИТ (частота 50 и 300 герц)

Индуцируемая в измерительной катушке ЭДС усиливается и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем ФЧВ и подается на регистрирующий прибор РП. Составляющая ЭДС компенсируется и, будучи сдвинута по фазе на 90˚ относительно тока, питающего генераторные катушки, выпрямителем не пропускается.

В настоящее время для проведения ИК применяется несколько видов скважинных приборов. Для сред с низкой магнитной проницаемостью ( <<0,1 СИ), которую условно можно назвать слабомагнитной, рационально применять зонд с общим ферромагнитным сердечником. Сердечник у этого зонда набран из ферритовых колец, стянутых с помощью изоляционного стержня, проходящего через их внутренние отверстия. Снаружи на сердечнике расположены генераторная и фокусирующая обмотки. Принцип действия такого зонда сходен с обычным зондом ИК. Различие лишь в том, что первичное магнитное поле создается не только генераторной катушкой, а в большей степени ферромагнитным сердечником.

В средах со средней магнитной проницаемостью (μ СИ) используют каротажные зонды с включением фокусирующих катушек. Причем при исследовании пластов мощностью более 2 м используют зонд 6Ф1, а при мощности более 5 м – 5Ф1,2.

Принцип действия скважинной аппаратуры

Как уже отмечалось выше, измерения электропроводности проводятся 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. Переменный ток, вырабатываемый генератором, частотой 20-50 кГц (в зависимости от аппаратуры), протекая по генераторной катушке, создает вокруг неё переменное магнитное поле (прямое или первичное), индуцирующее в окружающих породах вихревые токи. Величина ЭДС этих токов тем больше, чем выше электропроводность среды. В однородной среде силовые линии тока представляют собой окружности с центром по оси скважины (если ось зонда совпадает с осью скважины). Вихревые токи создают в породах вторичное магнитное поле.

Первичное и вторичное переменные магнитные поля индуцируют ЭДС в приемной катушке. Индуцированная первичным магнитным полем ЭДС является помехой и компенсируется введением в цепь приемной катушки равной ей по величине ЭДС, но противоположной по фазе. Остающаяся в измерительной цепи ЭДС , 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.

Рисунок 7.4- Схема зонда 6Ф1

Амплитуда тока в генераторной катушке в процессе замера поддерживается неизменной, а сила вихревых токов, возникающих в окружающей породе, определяется удельной электрической проводимостью (электропроводностью) породы. Соответственно ЭДС , наведенная вторичным полем в измерительной катушке, в первом приближении пропорциональна электропроводности горных пород , следовательно, пропорциональна их удельному сопротивлению В однородной изотропной среде с удельной электропроводностью , когда частота тока питания и проводимость среды невелики (взаимным влияниием токов можно пренебречь)

, (7.7)

где - коэффициент зонда.

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

, (7.8)

где - коэффициент пропорциональности.

Из формулы (7.1) получаем

, (7.9)

где - коэффициент для перехода от величины сигнала к удельной электропроводности. Выбирается она таким образом, чтобы в однородной среде наиболее соответствовала .

Рисунок 7.5-Принципиальная схема создания магнитных полей при индукционном каротаже

Регистрация создаваемого параметра основывается на следующем: присутствующая среда намагничивается полем обмотки генераторной катушки. Появляющееся при этом вторичное магнитное поле определяется свойствами среды. Под влиянием этого поля ЭДС приемной и фокусирующей катушки увеличивается соответственно со значений и до и . Одновременно вторичное поле увеличивает индуктивное сопротивление генераторной обмотки, снижает ток, имевший до I и уменьшает компенсационное напряжение вторичной обмотки трансформатора до значения . В приемной цепи возникает вторичная ЭДС, зависящая от окружающей среды:

. (7.10)

Приращения ЭДС практически прямопропорциональны электропроводности среды.

Методика проведения исследований

Для проверки компенсации ЭДС прямого поля перед проведением измерений скважинный прибор устанавливают на высоте 1,1 – 1,5 м от поверхности земли в удалении от металлических предметов и фиксируют на диаграмме положение «нуль в воздухе». При полной компенсации ЭДС наблюдаемый сигнал в воздухе () должен быть равен нулю.

Электродвижущая сила вторичного поля в проводящей среде мала по сравнению с ЭДС прямого поля ( составляет доли процента от уже в средах с удельным сопротивлением больше 20 ), поэтому выделить и измерить её трудно.

В измерительной катушке двухкатушечного зонда ЭДС может быть представлена в виде векторной суммы двух составляющих: активной, совпадающей по фазе с током питания генераторной катушки, и реактивной, сдвинутой по фазе на 90˚ относительно питающего тока. Оба эти компонента ЭДС зависят от удельной электропроводности и магнитных свойств окружающих горных пород и могут быть использованы для их определения.

При индукционном каротаже, когда задача сводится к определению удельной электропроводности слабомагнитных горных пород, первостепенное значение имеет измерение активной составляющей, более тесно связанной с удельной электропроводностью горных пород. При низкой электропроводности активный сигнал практически прямо пропорционален электропроводности среды. Если среда характеризуется высокой электропроводностью, возбуждаемые вихревые токи значительны и взаимодействие магнитных полей вихревых токов приобретает существенное значение. Это приводит к снижению сигнала, регистрируемого прибором индукционного каротажа, и к отставанию активного сигнала от повышения электропроводности. Такое явление известно под названием скин-эффекта. Влияние скин-эффекта на кажущуюся электропроводность при работе с обычными низкочастотными индукционными зондами становится заметной в случае, если . Для того чтобы правильно определить электропроводность (сопротивление) неизмененной части пласта, нужно ввести соответствующую поправку за скин-эффект в величину кажущейся удельной электропроводности.

Реактивная составляющая ЭДС значительно меньше активной и только в высокопроводящей среде достигает больших величин. Для выделения активной составляющей ЭДС пользуются фазочувствительными схемами. Решение этой задачи упрощается тем, что магнитная проницаемость пород, слагающих разрез скважины, и промывочной жидкости мало отличаются от единицы. Исключение составляет лишь промывочная жидкость большой плотности, утяжеление которой достигается путем добавок магнетита. Такая жидкость имеет значительную магнитную восприимчивость.

Назначение и возможности метода индуктивного каротажа

Первоначально метод ИК разрабатывался для исследования скважин, заполненных непроводящим электрический ток буровым раствором (на нефтяной основе), в котором другие методы КС, имеющие систему токопроводящих и измерительных электродов, применены быть не могут. Однако в последующем метод ИК хорошо показал себя при исследовании геологических разрезов низкого сопротивления в скважинах, заполненных обычным токопроводящим раствором.

Зонды ИК обладают большим радиусом исследования в случае повышающего проникновения фильтрата ПЖ. При понижающем проникновении радиус исследования зондов ИК быстро падает с увеличением глубины зоны проникновения. Ввиду этого областью применения зондов ИК являются скважины с пресной ПЖ, так как в этих ус- ловиях возможно только повышающее проникновение или понижающее с близким к , влияние которых на показания ИК невелико. Наилучшие результаты ИК дает в песчано-глинистом разрезе с небольшим удельным сопротивлением пластов ( <30 ). В этих условиях при наличии в разрезе пластов малой и средней мощности (h<6 м) обеспечивается точная оценка их удельного сопротивления.

Благоприятные результаты ИК показывает при исследовании пластов низкого и среднего сопротивления. По диаграммам ИК можно определить сопротивление низкоомных водоносных коллекторов и положение водонефтяного и газоводяного контактов

Из вышесказанного следует, что, используя метод ИК, можно оценить электропроводность (удельное сопротивление) на относительно большом расстоянии от центра скважины, т.е. определить местоположение неизмененной части пласта. В то же время другие методы КС оценивают на меньших расстояниях. Это означает, что в комплексе эти методы дают наиболее полную информацию об удельном сопротивлении пластов горных пород и характере распространения ПЖ в них.

На показания обычного двухкатушечного зонда оказывают влияние вмещающие породы, скважина, ЗП. Из-за этого эффективность и глубинность исследований резко падает. Чтобы получить более точные данные о , в индукционный зонд дополнительно к главным катушкам вводят фокусирующие катушки. Число фокусирующих катушек, их расположение относительно главных и число витков выбирают таким образом, чтобы влияние скважины и вмещающих пород свести до минимума, а влияние ЗП регулировать в соответствии с назначением зонда ИК.

Рисунок 7.6- Поправка за скин-эффект

Обработка и интерпретация результатов исследования

Форма регистрируемых кривых

Форма кривой при ИК зависит от характера токовых линий, образующих вокруг оси скважины замкнутые окружности, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной оси прибора. В пластах со слабым наклоном относительно оси скважины токовые линии проходят в одной среде, не пересекая границ пластов различного удельного сопротивления. На рис.7.7 приведены экспериментальные кривые индукционного каротажа для пластов конечной мощности, полученные в скважине, заполненной нефтью.

Типичные кривые , регистрируемые индукционным каротажным зондом 6Ф1 против одиночных однородных пластов конечной мощности, показаны на рисунке..

Если точка записи (середина между главными катушками зонда) совпадает с серединой зонда, симметричны относительно середины пласта. Вблизи границ пласта на кривой наблюдается крутой подъем (спад). Против середины тонкого пласта ( м) кривая имеет вид узкого пика. При большей мощности пласта против его середины наблюдается площадка.

Границы пласта при мощности м приурочены к точкам, соответствующим половине амплитуды кривой . Для более тонких пластов определенная таким способом мощность превышает истинную.

В случае неоднородного пласта показания против его средней части осредняются (максимальное и минимальное). В таком случае при отсчете удобнее пользоваться кажущимся удельным сопротивлением . Однако связь между регистрируемым при ИК сигналом и проводимостью среды из-за влияния скин-эффекта нелинейная, поэтому перейти от измеряемого сигнала к кажущимся сопротивлению или электропроводности в явном виде не удается и приходится прибегать к графической зависимости (рис. 7.9).

Форма кривых для других зондов ИК (8И1,4; 4И1; 4Ф1) несимметрична относительно середины пласта, так как точка записи не совпадает с серединой зонда. Из-за несимметричной формы кривые этих зондов трудно использовать для расчленения разреза и отбивки границ пластов.

а

б в

Экспериментальные значения кривых индукционного каротажа

а – пласт малой мощности; б – пласт средней мощности; в – пласт большой мощности

Кривые кажущейся проводимости зонда 6Ф1 против одиночных однородных пластов конечной мощности:

а – пласт высокого сопротивления (; ); б – пласт низкого сопротивления (; ); О – точка записи; Г – главная генераторная катушка; И – главная измерительная катушка. Шифр кривых – h в метрах.

График для перехода от кажущейся проводимости без учета скин-эффекта к кажущемуся удельному сопротивлению . Зонды 1 – 5Ф1,2; 2 – 6Ф1; частота питающего тока f = 50 кГц

Рассмотрим влияние вмещающих пород на значения против середины пласта конечной мощности. Для сравнения на рис.7.8 пунктиром нанесены значения для пласта неограниченной мощности с такой же .

В пластах высокого удельного сопротивления (рис7. 8, а) значения против пласта конечной мощности заметно отличаются от значений, соответствующих пласту неограниченной мощности; различие между ними тем больше, чем меньше мощность пласта и отношение . В пластах низкого удельного сопротивления (рис.7.8, б) при мощности h>2 м значения близки к значениям против пласта неограниченной мощности с таким же удельным сопротивлением. Поэтому на диаграммах ИК особенно четко выделяются проводящие прослои, залегающие среди пород высокого сопротивления.

Кривые зондов ИК, как и кривые зондов КС с большим радиусом исследования, недостаточно эффективны для отбивки границ пластов и расчленения разреза. Поэтому ИК следует применять в комплексе с другими методами ЭК, позволяющими в совокупности успешно решать задачу расчленения разреза и выделения пластов.

Влияние скважины на показания ИК в общем случае зависит от , и отношении . В случае высокоминерализованной промывочной жидкости () и достаточно высокого удельного сопротивления пород ( >20) влияние скважины становится заметным и учитывается при интерпретации диаграмм с помощью специальных палеток. Палетки содержат несколько семейств кривых зависимости исправленного за влияние скважины кажущегося сопротивления непроводящей среды от . Для приведения к , соответствующему условиям скважины, заполненной непроводящей средой, поступают следующим образом: по кривой индукционного каротажа определяют существенное значение кажущегося сопротивления, выбирают палетку с соответствующим шифром ; по определяют для данного , используя график, приведенный на рис.7.10.

Палетка для учета влияния скважины (зонд 6Ф1)