книги из ГПНТБ / Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин

Д. С. ДАЕВ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ

МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

СКВАЖИН

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » М О С К В А 1 9 7 4

ЧИ ÈА ньИ О І U ' о АЛЛ

5^У- м в и

Даев Д. С. Высокочастотные электромагнитные ме­

рия, аппаратура и способы интерпретации новых мето­ доп каротажа, в которых осуществляется измерение диэлектрической проницаемости и проводимости пород. Дана характеристика электрических свойств пород при высоких (сотни килогерц — десятки мегагерц) частотах. Приведены примеры применения диэлектрического каро­ тажа, преимущественно при исследовании нефтяных скважин.

Изложение ведется на основе волновой трактовки, позволяющей отчетливо уяснить физическую картину явлении, происходящих при высокочастотных электро­ магнитных исследованиях скважин. Особое внимание уделено исследованию глубинности рассматриваемых методов каротажа.

Кинга предназначена для геофизиков и геологов, а также для научных работников и студентов старших курсов геофизической специальности.

Табл. 9, пл, 86, список лит. — 90 назв.

20804—212

043(01)—74

2

ВВЕДЕНИЕ

Повышение геологической эффективности буровой геофизики тесно связано с созданием новых способов исследования скважин. К параметрам, которые до последнего времени не использовались при каротаже, относится диэлектрическая проницаемость (е) гор­ ных пород. Целесообразность измерения этой величины очевидна. Диэлектрическая проницаемость породы тесно связана с видом и количеством насыщающего ее флюида. Поскольку е воды равна 80 отн. ед., а нефти — 2,5 отн. ед., водонасыщенные и нефтенасыщенные породы заметно различаются по диэлектрической прони­ цаемости. Это различие сохраняется и в тех случаях, когда из-за слабой минерализации воды нефте- и водонасыщенные породы неразличимы по удельному сопротивлению. Измерение диэлек­ трической проницаемости представляет интерес и в других слу­ чаях, в частности, при изучении гидрогеологических и инженерно­ геологических скважин.

Диэлектрическая проницаемость горных пород заметно влияет на электромагнитное поле лишь на частотах, равных десяткам мегагерц. Поэтому для изучения данного параметра должны при­ меняться высокочастотные методы исследования.

Высокочастотные электромагнитные поля можно также исполь­ зовать для изучения проводимости пород в скважине (в этом случае применяются частоты порядка единиц мегагерц). Здесь открывается возможность создания методик измерений, обеспечи­ вающих некоторые преимущества по сравнению с известными спо­ собами изучения электропроводности.

Первые попытки создания способов измерения диэлектрической проницаемости пород в скважине принадлежат Мартинсену [88, 89]. Им предложены два метода определения е. В первом методе в скважину помещается открытый конденсатор с цилиндрически­ ми обкладками, который можно рассматривать как электриче­ скую дипольную антенну. Комплексное сопротивление антенныконденсатора зависит от диэлектрической проницаемости и про­ водимости окружающих пород. Второй вариант метода и соответ­ ствующего устройства предусматривает индуктивное возбуждение поля с помощью соленоида. Измерение импеданса соленоида поз­ воляет характеризовать диэлектрическую проницаемость и про­

5

водимость окружающей среды. Теоретическое обоснование мето­ да, основанного на измерении импеданса соленоида, дал в 1959 го­ ду Бухгейм [84].

ВСССР исследования в области диэлектрического каротажа были начаты В. Н. Дахновым. В дальнейшем работы в этой об­ ласти велись Г. Я- Черняком и С. М. Аксельродом [5, 2, 80]. Развиваемый ими метод во многом сходен с емкостным методом Мартинсена. Основным элементом устройства, помещаемого в скважину, здесь также является конденсатор с цилиндрическими обкладками, составляющий часть колебательного контура. Осо­ бенность метода и аппаратуры Черняка и Аксельрода состоит в том, что производится измерение двух величин — частоты тока и напряжения в колебательном контуре. В принципе это позволяет определить диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь окружающей среды. Однако емкостной вариант диэлектрического каротажа к настоящему времени не нашел распространения. Это связано с недостаточной разработанностью теоретических основ данного метода измерений и его малой глубинностью. Поэтому наряду с совершенствованием емкостного метода целесообразно было продолжить поиски других вариантов диэлектрического каротажа.

В1963—1964 годах в Сибирском отделении АН СССР автором

иА. А. Кауфманом были начаты работы по созданию метода из­ мерения е, основанного на возбуждении в скважине высокоча­ стотного электромагнитного поля и измерении амплитуды вторич­ ного поля на некотором расстоянии от источника. В дальнейшем этот метод получил название диэлектрического индуктивного ка­ ротажа. Благодаря удалению приемника от генератора на некото­ рое расстояние, глубинность исследования этим методом выше, чем при измерении импеданса конденсатора или соленоида. Важ­ ным моментом является использование сравнительно простого по структуре поля, в котором вектор напряженности электрического поля не пересекает поверхностей раздела между участками среды с разными электрическими свойствами.

В1966 году автором предложен способ высокочастотного каро­ тажа, принцип которого состоит в измерении разности фаз элек­ тромагнитного поля между двумя разнесенными приемными ка­ тушками, находящимися на некотором расстоянии от генератор­ ной рамки [29]. При применении частот в несколько десятков мегагерц разность фаз в основном определяется диэлектрической проницаемостью пород. Для обоснования способа и объяснения физической картины происходящих явлений используется пред­ ставление об электромагнитных волнах, распространяющихся от источника поля и испытывающих на пути фазовые сдвиги и зату­ хание, величины которых зависят от параметров среды. Несколько позже аналогичный способ был запатентован Пои и Леви во Фран­ ции для изучения проводимости пород в скважине на частотах порядка единиц мегагерц — сотен килогерц [86J. Наряду с изме­

6

рением разности фаз предусматривалась возможность измерения отношения амплитуд сигналов, наведенных в разнесенных прием­ ных катушках. В 1967 году вариант способа с измерением отно­ шения амплитуды для исследования проводимости пород был не­ зависимо предложен И. М. Заслоповым [43].

В последующие годы в области высокочастотного каротажа рядом научно-исследовательских, конструкторских и производст­ венных организаций (Моек, геол.-разв. ин-т, Ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, Сиб. науч.-исслед. ин-т геол., геофиз. и минерального сырья, Центр, геофиз. экспедиция, тресты Татнефтегеофизика и Тюменпефтегеофизика МНП, Киевское ОКБ геофиз. приборострое­ ния и др.) были выполнены большие работы. Осуществлены тео­ ретические исследования, созданы опытные образцы аппаратуры, проведены успешные работы в скважинах, начато внедрение вы­ сокочастотных методов в производство [31, 34, 15, 65, 44 и др.]. Таким образом, в электрическом каротаже оформилось новое на­ правление, объединяющее группу методов, предназначенных для измерения диэлектрической проницаемости и проводимости пород в скважине и использующих для этого частоты от сотен килогерц до десятков мегагерц и зонды с разнесенными датчиками. Изме­ рения проводятся в волновой или промежуточной зоне генератора. Это определяет специфику методики измерений и трактовки физи­ ческой картины происходящих явлений.

В результате теоретических исследований получены достаточно полные материалы, характеризующие поведение высокочастотного электромагнитного поля в однородной среде, в скважине и в пла­ стах ограниченной мощности. Это позволило сделать обоснован­ ные выводы об оптимальных рабочих частотах, типах и размерах зондов, характеристиках высокочастотного поля, которые подле­ жат измерению.

Исследовано влияние скважины на результаты наблюдений и обоснованы способы его исключения. Установлено, что наиболее эффективным методом исключения влияния скважины является измерение относительных характеристик поля — разности фаз или отношения амплитуд. Измерение этих характеристик позволяет из­ бавиться от влияния скважин вплоть до частот, равных десяткам мегагерц.

Весьма важное значение имеет обоснование волнового подхода к физической трактовке явлений в высокочастотном каротаже. Это позволило, в частности, внести ясность в очень важный вопрос о глубинности высокочастотных методов и факторах, определяю­ щих глубинность исследования. Было установлено, что даже на частотах 40—60 МГц глубинность зондов метровой длины состав­ ляет 0,3—0,4 м. Это делает возможным использование диэлектри­ ческого каротажа при решении актуальных задач нефтепромыс­ ловой геологии, в первую очередь при определении характера насыщения пластов. Что касается методов высокочастотного ка­ ротажа, направленных на изучение проводимости пород и исполь-

7

1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Электромагнитные свойства горных пород характеризуются удельным электрическим сопротивлением р, диэлектрической про­ ницаемостью е и магнитной проницаемостью р. Магнитная прони­ цаемость осадочных пород практически не отличается от прони­ цаемости вакуума и ниже не рассматривается. Факторы, опреде­ ляющие удельное электрическое сопротивление пород, хорошо исследованы и подробно рассматриваются в ряде руководств по электрическим методам разведки и буровой геофизике. Диэлек­ трическая проницаемость горных пород, напротив, освещается достаточно полно лишь в немногих работах [36, 55, 66]. Поэтому ниже приводятся основные сведения о диэлектрической проницае­ мости пород, а затем обсуждается поведение удельного сопротив­ ления и диэлектрической проницаемости при высокой частоте поля.

Прежде чем перейти к характеристике диэлектрических свойств минералов и горных пород, остановимся на отдельных положениях теории поляризации вещества.

Сведения из теории диэлектриков

В поляризующихся средах под действием электрического поля происходит ориентация имеющихся дипольных молекул или обра­ зование новых диполей за счет смещения электронов, атомов и ионов. Это приводит к появлению дополнительного вторичного поля, складывающегося с первичным. Поляризация количественно характеризуется вектором поляризации Р, который можно опре­ делить как дипольный момент единицы объема [10]. В электри­ ческом поле поляризация обычно пропорциональна поляризующе­ му полю:

9