Применение индукционного метода в нефтегазовой геофизике

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

    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-3М);

д– 8Ф1,4 (аппаратура АИК-4)

 

 

  

      Рисунок 1- Схемы индукционных зондов

 

 

 

 

 

 

 

 

      Многокатушечный зонд должен обеспечить измерение удельной электропроводности пород в достаточно широком диапазоне, существенно снизить влияния скважины, зоны проникновения н вмещающих пород, обладать значительной глубинностью исследования по горизонтали и отмечать на кривых σ_эф 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 К_ф называется отношение сигнала в однородной среде Е_мн для многокатушечного зонда к сигналу для двухкатушечного зонда Е_дв, т. е.

                                                     К_ф= Е_мн/ Е_дв.

        Есть зонды со слабой фокусировкой (К_ф≥0,3) и сильной фокусировкой (К_ф<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 СССР 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 b_z и тонких цилиндрических слоев b_r. 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-цилиндрических элементарных слоев различной электропроводности. Каждый такой слой характеризуется своим радиальным пространственным фактором b_r. Зависимость b_r от отношения   радиуса   цилиндра   к длине зонда r/L_и и показывает относительное влияние тонких цилиндрических слоев разного радиуса на величину сигнала (рисунок 2, а). При r<<L_и значение пространственного фактора растет прямо пропорционально радиусу, при г=0,45 L_и она становится максимальной, а при дальнейшем увеличении радиуса – плавно стремится к нулю. Из графика b_r=f(r/L_и) 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 0,4L_и и 1,5L_и. В случае однородной среды 80% полного сигнала создает цилиндр радиусом r = 3L_и.

      При конечной мощности пласта при d_c→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 b_z. Зависимость b_z от z/L_и показывает относительное влияние тонких слоев на величину сигнала в зависимости от расстояния от центра зонда (рисунок 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/L_и)². Пласт, имеющий мощность h = 3L_и даст 80 %  полного сигнала. Глубинность исследования зондов обычного низкочастотного индукционного метода, но 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 В_r бесконечного по длине цилиндра от его радиуса г (рисунок 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 (29) ту долю сигнала, которую вносят те пли 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 B_z слоя от мощности h в случае, когда середина зонда расположена в средней точке слоя (рисунок 3, б). С помощью этой характеристики можно приближено оценить влияние вмещающих пород на показания, описываемого метода. 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 σ_эф, рассчитанные по формулам, полученным на основе, приближенной теории, отличаются от фактических σ_пл  (рисунок 4). Более низкие значения σ_эф по сравнению с расчетными объясняются явлением скин-эффекта.  В случае строгой теории, учитывающей явление скин-эффекта, радиальные и вертикальные характеристики многокатушечных зондов (рисунок 5) отличаются от полученных на основании приближенной теории.  Радиальные характеристики позволяют: 1) установить те минимальные диаметры цилиндров,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2- Графики пространственных факторов тонкого цилиндрического слоя (а) и тонкого пласта (б) для двухкатушечного зонда (дифференциальные характеристики)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3- Графики радиального (а) и вертикального (б) пространственных факторов для двухкатушечного зонда (интегральные характеристики)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Рисунок 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

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               

 

 

 

 

 

 

 

          

               

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

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

 

 

   

      Рисунок 5- Радиальные (а) и вертикальные (б) характеристики многокатушечных зондов в неоднородной среде.

      

 

 

 

 

 

 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    3 Интерпретация диаграмм метода индукционного каротажа

 

     3.1  Форма кривых  и определения границ пластов

 

Токовое линии при ИК образует вокруг оси скважины замкнутые окружности , располагающиеся в плоскости , перпендикулярной к оси прибора.  В плостах со слабым наклонам относительно оси скважины токовые токовые линии проходят в одной среде, не пересекая границы пластов. П кривым ИК, полученным зондом  6Ф1 для однородных одиночных пластов конечной мощности, видно, что они симметричны. Середины отклонении кривой при h ≥ 1,5 м. соответствуют границам плоста. При h ≤ 1 м. кривая имеет вид узкой пики, обращенной к середине пласта, выделения границ затруднено. Для зондов 8И1,4; 4И1; 4Ф1 кривые не симметричны. Это вызвано тем, что середина между главными катушками этих зондов не соответствует точки записи. На диаграмме ИК наиболее четко выделяются пласты малого сопротивления (проводящие), залегающие среди пластов высокого сопротивления. Характерными (существенными) значениями кривой индукционного каротажа, полученной против пластов конечной мощности, являются показания σ_к против пласта в интервале, уменьшенном на половину длины зонда со стороны кровли и подошвы. При мощности пласта, равной или близкой длине пласта, отсчитывают экстремальное значение (максимальное или минимальное).

Влияние скважины на показание  индукционного каротажа определяется диаметром скважины ( ее геометрическим фактором G_с) и удельной проводимостью ПЖ σ_с . С увеличением d_с и σ_с влияние скважины возрастает. Благодаря фокусировки современных зондов индукционного каротажа влияние скважины на показания ИК сведено к минимуму и становится заметным лишь при высокоминерализированной ПЖ. В этом случае оценка поправок за влияние скважин производятся с помощью специальных палеток, представляющих зависимость G_с от d_с с учетом нецентрированных зондах эксцентричного положения зонда (отклонение от оси скважины ε). При этом ε = 2а/ d_с, где а – расстояние между осью скважины и осью зонда в м. Поправку за влияние скважины     ∆σ_с =  G_сσ_с определяют по палетке, зная d_с и ε. Значение σ_{к исп.}, исправленное за влияние скважины, находят алгебраическим сложением величин ∆σ_с и существенного значения σ_к, отсчитанного против пласта. Влияние скважины сказывается в большей мере на показаниях, полученных зондом 6Ф1, и в наименьшей – на показаниях зонда 8И1,4.

Влияние вмещающих пород  в индукционном каротаже существенно  меньше, чем в методах сопротивления. В пластах конечной мощности (менее 3 – 4м) существенные значения σ_к необходимо приводить к показаниям против пластов неограниченной мощности.

Поправочный коэффициент  за мощность определяют с помощью  палеток. С помощью таких палеток  определяют кажущееся сопротивление, приведенная к условиям неограниченной мощности пласта ρ_к^∞. В пластах без проникновения фильтрата ПЖ ρ_к^∞ = ρ_п.

В общем случае для  пластов мощностью более 4 м без  проникновения ПЖ существенные значения σ_к, исправленные за влияние скважины и скин-эфекта, могут быть приравнены к его истинной удельной проводимости σ_п или истинному удельному сопротивлению ρ_п.

Влияние зоны проникновения на результаты ИК фокусирующими зондами невелико при повышающем проникновении. Понижающее проникновение оказывает значительное влияние, начиная уже с проникновением ПЖ на глубину, превышающую три диаметры скважины. С увеличением отношения сопротивления неизменной части пласта к сопротивлению зоны проникновения возрастает. Влияние скважины и зоны проникновения увеличивает во всех случаях с повышением сопротивления пород, слагающих разрез. Это обусловлено характером распределения токовых линий. При ИК зона проникновения и неизменная часть пласта в первом приближении подключены к « электрической цепи» параллельно, в то время как при БК – последовательно. Очевидно, что на показания ИК большое влияние оказывает среда с малым сопротивлением, тогда как на показании БК – в основном среда большого сопротивления.

 

 

2. Задача решаемого методом индукционного каротажа

 

 

Основной задачей интерпритации  кривой ИК, как и других видов  каротажа сопротивлений, является определение  удельного сопротивления пластов. При отсутствии проникновения фильтрата ПЖ в пласт определение ρ_п по данным одной кривой ИК сводится к учету влияние скважины, скин-эффекта и ограниченной мощности пласта, что легко определяется с помощью специальных палеток. Определение ρ_п с помощью этих палеток ведется по следующей схеме: 1) определяется h, σ_к и σ_вм  против исследуемого пласта (σ_вм  равно среднеарифметическому из отчетов против покрывающих и подстилающих пластов) ; 2) вводят поправку за влияние скважины ∆σ_с =  G_сσ_с,   где σ_с электропроводность ПЖ в мСм/м, G_с определяют по палетке для известных d_с и ε, исправленное значение σ_к1 = σ_к - ∆σ_с ; 3) зная σ_к1  переходят к ρ_к,при этом учитывают и скин-эффект; 4) выбирают палетку с наиболее близким шифром ρ_вм и по данным ρ_к и h находят ρ_к^∞ ; 5) если измеренное значение  ρ_вм^* более чем на 20% отличается от ρ_вм шифра палеток, измеренное значение ρ_к приводят к палеточным условиям: ρ_к^∞´ = ρ_к^∞ (ρ_вм / ρ_вм^*) или (ρ_вм^*/ ρ_вм). При отсутствии проникновения ρ_к^∞ = ρ_п.

При наличии зоны проникновения, когда ρ_зп отличается от ρ_п неизменной части пласта, показания ИК интерпритируют с помощью трехслойных однозондовых или комплексных палеток. Однозондовые палетки рассчитаны для пластов неограниченной мощности и представляют собой график зависимости ρ_к /ρ_с  от ρ_п /ρ_с для известных значений d_c и ρ_зп /ρ_с. Палетка снабжена кривыми для фиксированных значений D/d_c и ρ_с. Для выбора нужной палетки и определения по ней ρ_п по кривой ИК требуется предварительное определение параметров D/d_c и ρ_зп/ ρ_с. Это достигается проведением измерений ИК в комплексе с другими электрическими методами сопротивления.

Схема интерпритации сводится к  отсчету существенного значения σ_к, внесению исправления  за влияния скважины, скин-эффекта и оценке

ρ_к, приведению показаний к условию пласта неограниченной мощности и нахождению по ординате палетки отношения ρ_п /ρ_с.

Показание ИК  для определения  трех неизвестных величин ρ_п, ρ_зп и D интерпритируют обычно в комплексе с данными других зондов электрического каротажа с разными радиусами исследований. С этой целью разработаны комплексные приборы для одновременной регистрации кривых ИК, БК, потенциал- и градиент – зондов. К их числу относятся: прибор ЭВМ для одновременной регистрации кривых ИК , КС потенциал – зондом (АМ = 0,4) и ПС ; Э6, дающий возможность одновременно записать две кривые ИК зондами большой ИК_б и средней ИК_с глубин исследования, кривую БК_м малым зондом (L = 1м) и ПС.