Применение индукционного метода в нефтегазовой геофизике

                                      Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………………4

 

1 Физические основы  метода индукционного метода……………………..6

1.1 Приближенная теория низкочастотных индукционных методов……..7

1.2 Пространственный фактор  элементарного кольца……………………..

 

2 Техника и методика  работ

   Обычный низкочастотный  индукционный метод с продольным  датчиком

2.1Зонды обычного низкочастотного индукционного метода……………..

 

3 Интерпретация диаграмм метода индукционного каротажа……………..

3.1Формы кривых и определение границ пластов…………………………..

3.2 Задачи, решаемые методом индукционного каротажа………………….

3.3 Кривая ИМ……………………………………………………………….....

 

4 Применение индукционного метода в нефтегазовой  геофизике…………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Введение

 

 

Геофизические методы исследования скважин - один из разделов 
прикладной геофизики. Они применяются для решения геологических и технических задач, связанных с поисками, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых, а также с изучением гидрогеологических и других особенностей исследуемых районов.

Наиболее широкое применение геофизические  методы получили при изучении нефтяных и газовых скважин в процессе их бурения, опробования и эксплуатации, т. е. в промысловой геофизике.

Исследование скважин геофизическими методами осуществляется в следующих  четырех основных направлениях: 1) изучение геологических разрезов скважин; 2) изучение технического состояния скважин; 3) контроль за разработкой месторождений нефти и газа; 4) проведение прострелочных, взрывных и других работ в скважинах, выполняемых геофизической службой.

Изучение геологических разрезов скважин - наиболее важное направление. При этом используются электрические, магнитные, радиоактивные, термические, акустические, механические, геохимические и другие методы. Применение их основано на изучении физических, естественных и искусственных полей различной природы. Интенсивность того или иного поля определяется разнообразными факторами, в первую очередь физическими свойствами горных пород - электрическим удельным сопротивлением диэлектрической и магнитной проницаемостью, электрохимической активностью,  радиоактивностью,  и т. д. При геофизических исследованиях скважин регистрируются диаграммы или производятся точечные измерения различных физических параметров: кажущегося электрического сопротивления, потенциалов собственной и вызванной поляризации пород, силы тока, сопротивления заземления, электродных потенциалов, интенсивности гамма-излучения, плотности тепловых и надтепловых нейтронов, температуры, напряженности магнитного поля, скорости и времени распространения упругих колебаний, продолжительности бурения и др. Характер изменения указанных параметров по стволу скважины, отраженный на регистрируемых диаграммах, зависит от многих факторов и главным образом от физических свойств пород. Последние в свою очередь находятся в тесной связи с литолого-петрографической, коллекторской, продуктивной и другими характеристиками. Разработанная теория геофизических методов и петрофизические зависимости позволяют производить научно обоснованную интерпретацию результатов исследований. При изучении геологических разрезов скважин на основе интерпретации комплекса данных геологической и геофизической документации решаются следующие задачи: 1) геофизическое расчленение разрезов и выявление геофизических коррелятивов (реперов); 2) определение пород, слагающих разрезы скважин; 3) выявление коллекторов и изучение их свойств (пористости, проницаемости, глинистости и др.); 4) выявление и определение местоположения различных полезных ископаемых (нефти, газа, каменного угля, каменной соли, руды, термальных, минеральных и пресных вод и др.); 5) количественная оценка нефтегазонасыщения, а в некоторых случаях угленасыщения, оруденения, а также минерализации пластовых вод.

Обобщающая интерпретация данных геофизических методов исследования скважин по изучаемым площадям позволяет использовать их для различных геологических построений, определения геологического строения, параметров и особенностей залегания встречаемых отложений и продуктивных горизонтов, как в районном, так и в региональном масштабах.

Изучение технического состояния  скважин проводится с помощью  комплекса различных методов  геофизики. В этом случае выполняются следующие основные операции: 1) определение  искривления  скважин  инклинометрами - инклинометрия; 2) установление фактического диаметра скважин с помощью   каверномеров - кавернометрия; 3) определение профиля сечения скважины и обсадных колонн - профилеметрия; 4) определение   высоты   подъема,   характера распределения и степени сцепления цемента в затрубном пространстве термическим, радиоактивным, акустическим методами - цементометрия; 5) выявление мест притоков и затрубной циркуляции вод в скважинах электрическим, термическим и радиоактивным методами - притокометрия; 6) определение водопоглощающих горизонтов и контролирование гидравлического разрыва пласта термическим и радиоактивным методами; 7) определение уровней жидкости, местоположения башмаков обсадных колонн и металлических предметов, оставленных в скважинах при авариях, глубин расположения забоев скважин и решение многих других важных нефтепромысловых задач.

Контроль за разработкой  месторождений нефти и газа предусматривает следующие определения: 1) динамика водонефтяных, водогазовых и газонефтяных контактов; 2) дебита и состава флюидов в скважинах; 3) профилей отдачи и приемистости пластов - дебитометрия и расходометрия; 4) интервалов прорыва нагнетаемых вод; 5) нефтеотдачи пластов.

Прострелочно-взрывные и другие работы в скважинах включают перфорацию обсадных труб для сообщения скважины с пластом, отбор образцов пород из стенок пробуренных скважин для уточнения геологического разреза и торпедирование, производимое с разными целями. Эти работы выполняются с учетом данных геофизических методов исследования скважин с помощью стреляющих перфораторов, боковых грунтоносов и торпед, спускаемых в скважины и действующих в комплекте с соответствующим геофизическим оборудованием.

Геофизические методы изучения скважин являются важнейшим и неотъемлемым звеном в геологических, буровых и эксплуатационных работах, производимых на нефтяных и газовых промыслах, угольных и рудных месторождениях, в гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

 

 

 

 

 

         1 Физические основы индукционных методов

 

 

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.  Индукционные методы применяются для исследования вторичного электромагнитного поля среды, ЭДС которого прямо пропорциональна электропроводности горных пород. Вторичное электромагнитное поле возникает в окружающей среде за счет вихревых токов, которые индуцированы катушкой, питающейся от помещенного в скважину генератора переменного тока. Индукционные методы принципиально отличаются от всех методов стационарного и квазистационарного электрических полей, прежде µ  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, СЗ, ТМ и 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 L_H 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 ЭДС в измерительной катушке. Непосредственное воздействие первичного поля на приемную катушку не связано с горными породами, поэтому ЭДС, индуцированная прямым полем, компенсируется встречной ЭДС, 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 ЭДС, наиболее тесно связанной с электропроводностью окружающей среды. В случае низкой проводимости среды ЭДС активной составляющей прямо пропорциональна ее электропроводности. С ростом электропроводности среды ЭДС 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 электропроводимость σ_эф, зависящей от проводимостей пласта, 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 σ_пл.

 

 

       1.1 Приближенная теория низкочастотных индукционных методов

 

 

Решение прямой задачи индукционных методов состоит в получении зависимости измеряемой ЭДС электромагнитного поля от электропроводности среды, ее геометрии и параметров зонда. Приближенная теория низкочастотного индукционного метода впервые была разработана X. Г. Доллем в 1949 г, затем получила развитие в работах С. М. Аксельрода, Ю. Н. Антонова  и других исследователей. В основе приближенной теории Долля лежат два допущения: 1) все индуцированные в окружающей среде вихревые токи имеют одну и ту же фазу, сдвинутую относительно фазы тока в генераторной катушке на 90°; это означает, что взаимодействие вихревых токов отсутствует, т. е. при решении прямой задачи явление скин-эффекта не принимается во внимание; 2) амплитуда плотности тока в любой точке среды рассчитывается по упрощенной формуле и определяется только пространственным фактором и удельной электропроводностью участка среды. Эти допущения справедливы лишь тогда, когда частота тока питания и электропроводность среды сравнительно невелики. При высокой частоте тока или большой электропроводности пород явление скин-эффекта существенно изменяет характер распространения электромагнитного поля, и в этом случае при решении прямой задачи необходимо использовать строгую теорию. Приближенная теория низкочастотных индукционных методов позволяет сравнительно просто установить зависимость эффективной удельной электропроводности изучаемого пространства от электропроводности отдельных сред, их размеров и положения относительно индукционного зонда, а также наглядно представить физическую сущность этого метода. С помощью приближенной теории можно путем элементарных расчетов решить прямую задачу описываемых методов для плоских и цилиндрических поверхностей раздела между средами. Формулы, полученные на основании этой теории, следует рассматривать как асимптотические, справедливые при электромагнитных волнах, очень длинных по сравнению с радиусом скважины, мощностью пласта и диаметром, зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости. И так, имеем однородную изотропную среду удельной электропроводности σ абсолютной диэлектрической проницаемости µ_а и магнитной проницаемости ε_а. На оси скважины расположен двухкатушечный индукционный зонд. Диаметр скважины d_c→0. Центры генераторной и измерительной катушек расположены на общей оси, на расстоянии L_H одна от другой. Ось генераторной катушки совпадает с осью скважины (рисунок 1). Генераторная и измерительная катушки имеют соответственно высоты l_г и l_п; число витков п_г и п_п, радиусы которых r_г и r_п; площади каждого витка ; общие площади витков s_гn_г =S_г и s_пn_п =S_п. Условимся считать, что размеры катушек значительно меньше расстояния L_и, т. е.(l_г, r_г, l_п, r_п) << L_п. Это допущение позволяет рассматривать катушки как точечные. Генераторную катушку можно заменить для упрощения расчетов магнитным диполем с переменным моментом.

Генераторная  катушка питается переменным током  с амплитудой I_a, мгновенное значение которого

 

I =I_аехр(^{-i ωτ})                          (1)

 

где τ – время; ω=2πf – угловая  частота; f – циклическая частота.

Упомянутый  выше магнитный диполь, ось которого совпадает с осью генераторной катушки, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Необходимо определить величину ЭДС, которая наводится вихревыми токами в изучаемой среде, и установить связь между наведенной ЭДС и удельной электропроводностью однородной среды, частотой поля и параметрами зонда.

Для решения  задачи введем цилиндрическую систему координат rzψ, начало которой расположим в точке O, являющейся серединой расстояния между центрами генераторной и измерительной катушек. Разобьем все изучаемое пространство на элементарные тороиды, представляющие собой участки породы с горизонтальными поверхностями. Единичный тороид – это горизонтальное кольцо радиуса r_к с центром на оси скважины (см. рисунок 1). Он назван X. Г. Доллем элементарным кольцом.

С учетом  (1)   магнитный момент магнитного диполя

 

М = n_г s_г I= n_г s_г I_a eхр(^{-i ωτ}.) (2)

 

Магнитный диполь создает в окружающем пространстве магнитное поле напряженностью

Н = М/2πL_г³.                                                        (3)

или, принимая во внимание (2),

                                       

                                      

(4)

 

где L_г – расстояние от центра генераторной катушки до рассматриваемой точки среды.

 Как известно, величина магнитного потока, пронизывающего замкнутую поверхность,

 

    (5)

где В=μ₀μН= μ_аН – вектор магнитной индукции; φ – угол между нормалью к элементарной площадке и силовыми линиями магнитного поля; ds – площадь сечения элементарной площадки.

Для элементарного  кольца с радиусом r_k, площадь которого магнитные силовые силовые линии пересекают под углом 90^○( φ=0), формула (5) имеет вид

(6)

 

 

(Н_z – вертикальная компонента напряженности магнитного диполя, поскольку силовые линии магнитного поля направлены вверх вдоль оси скважины).

Подставив (4) в (6) и проведя интегрирование, получим