Лекция 5 Зонды и датчики геофизических параметров Зонды электрических методов

Результатом измерения зондами является кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород. Среди зондов выделяют обычные зонды (БКЗ), зонды БК, зонды МК, зонды МБК, зонды электромагнитных методов. Свойство горных пород проводить электрических ток характеризуется удельной электропроводностью или величиной, обратной ей – удельным электрическим сопротивлением ρ:

Где R – полное электрическое сопротивление образца породы [Ом], S – площадь поперечного сечения образца [м²], l – длина образца [м]. Удельное электрическое сопротивление в 1 Ом*м равно полному сопротивлению в 1 Ом 1 кубического метра породы с основанием 1 м², высотой 1 м, измеренному перпендикулярно к плоскости куба. Закон Ома:

Где ρ – удельное сопротивление проводника. В этом формуле ρ известно. В геофизике, наоборот, ρ надо измерять с помощью скважинной аппаратуры. И выражение справедливо только для однородной изотропной среды. При измерениях в скважине мы сталкиваемся с неоднородной средой, состоящей из пластов различного сопротивления и промывочной жидкости, заполняющей ствол скважины. Поэтому получаемый результат называют кажущимся удельным сопротивлением. Измерения проводят при помощи зондов.

Зонды БКЗ

Эти зонды имеют токовые (питающие) электроды А и В, через которые пропускается стабилизированный ток заданной частоты. Разность потенциала измеряется на приемных электродах M и N. Разделяются на градиент-зонды и потенциал-зонды. Градиент-зонды имеют сближенные парные электроды (рис 5.1.). O – точка записи. На рис 5.1. изображен подошвенный зонд или последовательный, В – находиться на поверхности (заземление). На рис 5.2. кровельный зонд или образенный.

Потенциал-зонд – это зонд, у которого сближенные не парные электроды. Рис 5.3. Коэффициент такого зонда будет равным:

Это понятие идеального зонда. Когда питающий электрод приближается к одному из приемных, в результате мы измеряем не градиент потенциала, а сам потенциал.

В практике геофизических исследований обычно применяют много электродные установки, которые представляют из себя сочетание нескольких трехэлектродных зондов. Они, как правило, имеют общий токовый электрод. Число электродов и расстояние между ними подбирается таким образом, чтобы можно было скомбинировать набор зондов для измерения методом БКЗ, т.е. несколько разноглубинных зондов. Для изготовления таких зондов применяется специальный 17-жильный кабель в специальном изоляционном покрытии. К 16 жилам этого кабеля припаиваются электроды (стальные или свинцовые). Сопротивление изоляции зондов должно быть не менее 10 Мом. Для предотвращения трения электродов о стенки скважины, по обе стороны от электродов устанавливают утолщение из резины. Размеры электродов должны быть минимальными (стремиться к точечным), чтобы полностью сохранялась справедливость теоретических расчетов. Однако, конструктивно такие электроды изготовить сложно, т.к. с уменьшением размера резко увеличивается сопротивление, поэтому размеры в первую очередь должны обеспечить приемлемые для практики значения сопротивлений.

Глубинность градиент-зондов считается равной длине зонда, а потенциал-зондов - двум длинам зонда. Глубинность это понятие условное. Если скважина заполнена минерализованным раствором, то сопротивление резко падает.

Симметричные градиент-зонды (рис. 5.4.). Это набор из 4-х электродов, питающие электроды расположены по краям зонда, а в центре располагаются приемные. Автор зондов считал, что эти зонды длиной A 25 M 0,5 N 25 B (около 50 м) позволят изучать непромытую часть пласта, т.е. будем измерять сопротивление породы ρ_П. Самый маленький зонд в наборе A 8 M 0,5 N 8 B. Но дальше опытных работ Яковлева, зонды развития не получили. Такие зонды р еализованы в автономных комплексов для исследования горизонтальных скважин (рис 5.5.). Сделан в виде трубы, расстояния такие: A 1,75 M 0,25 N 1,75 B (это самый большой зонд). В результате вся теория симметричных зондов сведена на нет, потому что глубинность измерения таким зондом очень маленькая, кроме того, никакого теоретического обоснования для измерения в горизонтальных скважинах не существует.

Зонды бокового каротажа

В скважинах, заполненных высокоминерализованным буровым раствором, токовые линии при измерениях обычными зондами, распределены в основном вдоль оси скважины. В следствии этого, особенно в тонкослоистом разрезе с чередованием пластов высокого и низкого сопротивления, методы БКЗ малоинформативны. Более эффективными считаются специальные зонды, у которых посредством фокусировки, токовые линии направляются перпендикулярно к оси скважины в пласт. Наибольшее применение находят зонды БК трехэлектродные. Имеются также 7 и 9-ти электродные зонды.

Трехэлектродный фокусированный зонд БК

Р ис 5.6. Состоит из трехэлектродов удлиненной формы. Центральный и расположенные симметрично от него экранирующие электроды представляют собой цилиндры, разделенные тонкими изоляционными прослоями (изоляторами). Электрод В обратный токовый и N удаленный располагаются на некотором удалении от основных электродов. Через электроды пропускается ток таким образом, чтобы потенциалы всех электродов поддерживались одинаковыми. На практике это осуществляется по средством соединения центрального и экранных электродов через сопротивление r=0,001 Ом. Такой зонд можно рассматривать как единое проводящее тело, в котором потенциалы всех трех электродов равны (U_A1=U_A2=U_A0). При соответствующих условиях токовые линии центрального электрода направляются перпендикулярно к его оси. Разность потенциалов измеряется между одним из электродов и электродом N_∞. По результатам моделирования известно, что достаточная степень фокусировки тока центрального электрода обеспечивается при общей длине зонда L_общ

Для повышения разрешающей способности зонда длину центрального электрода рекомендуется выбирать как можно меньше, однако, опять растет сопротивление, что приводит к условиям усложняющих измерений. Поэтому длину зонда, как правило, выбирают

Для устранения искажений электрического поля длина или толщина изоляторов тоже должна подбираться минимальной. В результате зонд БК на практике изготовляется следующих размеров: общая длина 3,2 м, диаметр зонда 70-73 мм, длина центрального электрода составляет 0,15 м. Глубинность исследования зондом БК трехэлектродным составляет 1-2 м. Точка записи – середина центрального электрода.

Семиэлектродный фокусированный зонд БК

С остоит из питающего электрода А₀, двух экранных А₁ и А₂ и двух пар измерительных электродов М­₁N­₁, M₂N₂. Рис 5.7. Зонд может быть выполнен в виде гибкой косы, а может быть и цилиндрическим. Одноименные электроды расположены симметрично относительно основного питающего электрода и соединены между собой попарно. Через центральный элеткрод пропускается ток J₀, который в процессе измерений поддерживается постоянным. А через электроды А₁ и А₂ ток пропускается такой величины, чтобы разность потенциалов между парными электродами была равной нулю. Тем самым участки скважины между этими электродами эквиваленты изоляторам и препятствуют растеканию тока вдоль оси скважины. В результате токовые линии центрального электрода А₀ направляются в пласт почти горизонтально. Разность потенциалов измеряется между одним из измерительных электродов и удаленным N_∞. Точка записи электрод А₀. Этот зонд также имеет общую длину и длину зонда. Эти зонды характеризуют параметром фокусировки:

Параметр фокусировки определяет радиус исследования, расчленяющую способность и степень влияния скважины на значения измерений. К примеру, с увеличением общей длины уменьшается влияние скважины и зоны проникновения, но уменьшается расчленяющая способность.

Девятиэлектродный фокусированный зонд БК

Отличается от семиэлектродных тем, что имеет еще одну пару экранных электродов В₁ и В₂. Они устанавливаются между экранными и измерительными электродами и увеличичают степень фокусировки и радиус исследования. Для этого ток питания В₁ и В₂ устанавливается в несколько раз больше, чем ток питания экранных электродов.

Зонды микрокаротажа

Микрозонд – трехэлектродная измерительная установка с небольшими расстояниями между электродами. Применяется для изучения прискважиной части разреза. Расстояния между электродами составляют 2,5 см, диаметр электродов 10 мм. Для уменьшения влияния промывочной жидкости на результаты измерений, электроды прижимаются к стенкам скважины. Электроды, как правило, монтируются на башмаке из изоляционного материала. Башмак изготавливается из износостойкой резины армированной стальной пластиной. Для улучшения контакта с породой используют также гидравлические башмаки, имеющие гибкую поверхность за счет чего башмак принимает форму стенки скважины при его прижатии и улучшается контакт электродов с породой (гидравлические – это макслозаполненные башмаки). Глубиность исследования не более 15 см.

З онды имеют свое название, т.е. на башмаке (рис 5.12) указывается название А 0,025 M 0,025 N (микроградиент-зонд МГЗ) и А 0,05 М (микро потенциал-зонд МПЗ). В МПЗ измерение ведется между электродом М и корпусом прибора.

Зонды бокового микрокаротажа (МБК)

Имеется несколько модификаций зондов. На практике применяется зонд, принцип которого аналогичен трехэлектродному боковому каротажу. Рис 5.9. Башкмак крепиться к рессорам, которые прижимают его к стенке скважины. В центре башмака имеется центральный электрод, изолированный от самого башмака. Вид в разрезе - рис 5.10. Благодаря наличию экранного электрода, ток в пласте распространяется направлено в пласт в виде пучка (рис 5.11.). В связи с этим глубинность зонда, по сравнению с зондом микрокаротажа, повышается. Глубинность исследования<40 см.