§25. Обычный низкочастотный индукционный метод с продольным датчиком

Обычный низкочастотный индукционный метод основан на изучении электромагнитного поля продольного (вертикального) датчика, ось которого совпадает с осью скважины. В этом слу­чае вихревые токи, индуцированные первичным полем, распо­ложены в плоскостях, перпендикулярных к оси скважины, и не пересекают поверхностей раздела горизонтальных слоев.

На результаты измерений простейшим двухкатушечным зон­дом с целью определения истинного удельного сопротивления пласта значительное искажающее влияние оказывают сква­жина, зона проникновения и вмещающие породы, а также пря­мой сигнал от генераторной катушки. Для уменьшения влияния указанных факторов н исключения прямого сигнала X. Г. Долль предложил многокатушечные фокусирующие зонды.

Зонды обычного низкочастотного индукционного метода

Многокатушечный зонд представляет собой систему кату­шек, укрепленных на одном изоляционном стержне (рис. 58). Генераторная ГК и измерительная ПК катушки являются oc­ho в и ы м и, остальные называются компенсационными К и фокусирующими Ф(ФМ) в генераторной ФГ и измери­тельной ФП цепях. Компенсационные катушки служат для иск­лючения в измерительной катушке э. д. с. прямого поля, инду­цируемого генераторной катушкой.

Фокусирующие катушки предназначены для уменьшения влияния неполезных сигналов путем создания в приемной цепи э.д.с., обратных по знаку э.д.с., вызванных вихревыми токами.

Рис. 58. Схемы индукционных зондов.

_и

(аппаратура

(аппаратура

_ 4Ф1 (аппаратура ПИК-1М. ВИК-1М): б5Ф1.2 ИК-2>: о — 6Ф1 (аппаратура ЛИК-3. АИК-М); г — СЭ1 Э-3. Э-ЗМ): д — 8Ф1.4 (аппаратура АИК-4)

которые циркулируют в скважине, зоне проникновения и вме­щающих породах.' Фокусирующее действие катушек достига­ется путем подбора числа их витков, расположения и включе­ния их относительно главных катушек. Число дополнительных катушек, их взаимное положение и число витков должны быть такими, чтобы в значительной мерс было исключено влияние скважины, зоны проникновения и вмещающих пород, а изме­ряемая эффективная электропроводность была как можно ближе к истинному значению электропроводности пласта. Ком­пенсационные и фокусирующие катушки включаются последо­вательно с главными, но их витки намотаны противоположно виткам генераторной и измерительной катушек.

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 мерс определяется вы­бором многокатушечного зонда с оптимальными параметрами. Многокатушечный зонд должен обеспечить измерение удельной электропроводности пород в достаточно широком диапазоне, су-

щественно снизить влияния скважины, зоны проникновения и вмещающих пород, обладать значительной глубинностью иссле­дования по горизонтали и отмечать на кривых а_Эф маломощные пласты.

Существуют трех-, четырех-, пяти- и восьмикатушечные зонды. Многокатушечные зонды делятся на симметричные и несимметричные. Симметричным и 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 Кф на­зывается отношение сигнала в однородной среде £_мк для мно­гокатушечного зонда к сигналу для двухкатушечного зонда £д₈, т. е.

К* = £мн/£да.

Есть зонды со слабой фокусировкой (/(ф>0,3) и сильной фо­кусировкой (/Сф<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 5РР27, 5РР40 и 6РР40 (цифры в конце—размер зонда в дюймах).

Аналогично пространственному фактору элементарных колец X. Г. Долль рассматривает пространственные факторы единич­ных плоско-параллельных горизонтальных тонких пластов Ь_г и тонких цилиндрических слоев Ь_г. 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 Ь_г. За­висимость Ь_Г от отношения радиуса цилиндра к длине зонда

Рис. 59. Графики пространственных факторов тонкого цилиндриче­ского слоя (а) и тонкого пласта (б) для двухкатушечного зоила (дифференциальные характеристики)

г/1„ и показывает относительное влияние тонких цилиндриче­ских слоев разного радиуса на величину сигнала (рис. 59, а). При /■</,„ значение пространственного фактора растет прямо пропорционально радиусу, при г=0,45 ¿_и она становится мак­симальной, а при дальнейшем увеличении радиуса — плавно стремится к нулю. Из графика 6г=/(г/А„) 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 0,4£„ и 1,5£_и. В случае однородной среды 80 % полного сигнала создает цилиндр радиусом г = ЪЬ_п.

При конечной мощности пласта при с1_с-+0 и отсутствии зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости электропро­водность среды в радиальном направлении можно принять оди­наковой, а пространство но вертикали разбить на элементарные плоско-параллельные горизонтальные тонкие слои. Каждый такой слой характеризуется осевым пространственным факто­ром Ь_:. Зависимость Ь_: от г/Ь» показывает относительное влия­ние тонких слоев на величину сигнала в зависимости от рас­стояния от центра зонда (рис. 59, 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 (гД,„)². Пласт, имеющий мощность /1 = 3/,_1Ь 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 Долл я.

Радиальная характеристика определяет зависимость интег­рального пространственного фактора В_г бесконечного по длине цилиндра от его радиуса г (рис. 60, 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 (95) ту долю сигнала, которую вносят те или 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 В_г слоя от мощности И в случае, когда середина зонда расположена в средней точке слоя (рис. 60, 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 <т_Эф, рассчитанные по фор­мулам, полученным на основе приближенной теории, отлича­ются от фактических о„_л (рис. 61). Более низкие значения <т,ф

Рис. 60. Графики радиального (а) и вертикального (б) пространственных факторов для двухкатушечного зонда (интегральные характеристики)

п

Рис. 62. Радиальные (а) и верти­кальные (б) характеристики много- катушечных зондов в неоднородной среде:

/-ЧФ0.75; 2, * —4Ф1; 3, 7-5Ф1.2; </, 5 — 6Ф1

Рис. 61. Зависимости эффективной электропроводности от истинной электропроводности среды при из­мерениях на частотах 20 кГц (зонд 4Ф0,75) (/) и 50 кГц (зонд 5Ф1,2) (2).

Штриховая линия — линия равных зна­чений

о сравнению с расчетными объясняются явлением скин-эф­фекта. В случае строгой теории, учитывающей явление скин- эффекта, радиальные и вертикальные .характеристики много- катушечных зондов (рис. 62) отличаются от полученных на ос­новании приближенной теории (см. рис. 60).

Радиальные характеристики позволяют: 1) установить те минимальные диаметры цилиндров, которые не оказывают за­метного влияния на сигнал, т. е. диаметры зоны исключения;

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.

Аппаратура низкочастотного индукционного метода с продольным датчиком

Существует несколько видов аппаратуры низкочастотного индукционного метода с продольным датчиком, различаю­щихся устройством зонда и особенностями электронной схемы: ПИК-1М, АИК-3, АИК-М, и комплексная аппаратура Э-3,

Э-ЗМ, АИК-4.

Аппаратура ПИК-1 М. В этой аппаратуре использован зонд 4Ф1. В генераторной катушке зонда ГК от генератора Г (рис. 63) возбуждается переменное магнитное поле частотой

20. кГц, которое создает в окружающей среде вихревые токи той же частоты. Вторичное магнитное поле, возбужденное вих­ревыми токами, воспринимается измерительной катушкой ПК. Для устранения прямого сигнала от генераторной катушки на прямую и уменьшения влияния скважины на нее поле генера­торной катушки фокусируется двумя дополнительными катуш­ками— ФГ1 и ФГ2. Сигнал из катушки ПК через усилитель У поступает на фазочувствнтельиый детектор ФЧВ, где он выпрямляется и подается в виде постоянного тока на частотно­импульсный модулятор ЧИМ. В модуляторе сигнал преобразу­ется в импульсы с постоянной амплитудой и длительностью, частота которых пропорциональна эффективной электропровод­ности изучаемой среды. Через разделительное устройство РУ импульсный частотно-модулированный сигнал передается по каналу связи на измерительную панель ИП. Здесь частотный сигнал преобразуется в постоянный ток, поступающий на ре­гистрирующий прибор РП, и записывается в виде кривой из­менения эффективной электропроводности пород.

Для контроля масштаба записи кривой сь* служит стан- дарт-енгнал, создаваемый катушкой СС. Стандарт-сигнал включается электронным ключом ЭК, который управляется импульсом с измерительной панели ИП.

Аппаратура питается постоянным током силой 320 мА от стабилизированного выпрямителя ВС с регулируемым напря­жением на выходе, величина которого может изменяться от 180 до 250 В.

Скважинный прибор состоит из электронного блока, распо­ложенного в герметичном кожухе, и четырехкатушечного зонда 4Ф1, катушки которого размещены на стеклотекстолитовом стержне.

Аппаратура позволяет измерять электропроводность пород в диапазоне от 2500 до 20 мСм/м (от 0,4 до 50 Ом-м) при тем­пературе в скважинах от —10 до +120 °С при максимальном гидростатическом давлении 60 МПа.

Аппаратура АИК-М. Эта аппаратура предназначена для ра­боты с одножильным кабелем и зондом 6Ф1 (рис. 64). В гене­раторной катушке ГК зонда от генератора Г возбуждается пе­ременное магнитное поле частотой 50 кГц. Измерительная

Рио 63. Блок-схема аппара- Рис. 04. Блок-схема аппаратуры туры ПИК-1М с зондом 401 ЛИК-М с зондом 6Ф1

ЛМ — амплитудный манипулятор; ГНЧ — генератор низкой частоты: СУ — сумма­тор; БУ — блок унраалення

катушка Г1К фиксирует активную составляющую э. д. с. вто­ричного магнитного поля. Для компенсации э. д. с. прямого поля, уменьшения влияния скважины и вмещающих пород в цепи катушек ГК и ПК зонда включены по две фокусирую­щие катушки ФГ1 и ФГ2, ФП1 и ФП2.

Аппаратура АИК-М позволяет измерять эффективную элек­тропроводность в диапазоне 1500—20 мСм/м (0.7—50 Ом м)

при максимальной температуре в скважине до 150 °С и макси­мальном гидростатическом давлении до 100 МПа.

Аппаратура АИК-3. Применяется эта аппаратура для ра­боты с одножильным и трехжильным кабелем и позволяет регистрировать одновременно три кривые: ИДА, КС малого градиент-зонда и СП. Принципиальная схема для измере­ния индукционным зондом аналогична схеме аппаратуры АИК-М. Аппаратура АИК-3 может работать с зондами 5Ф1,2 и 6Ф1.

Аппаратура АИК-4. Это наиболее совершенная комплекс­ная аппаратура, в которой использован зонд 8Ф1,4; отличается от других типов индукционной аппаратуры большой глубиной исследования за счет односторонней внешней фокусировки. Кроме кривой ИМ аппаратура обеспечивает запись кривых БЭЗ и стандартной электрометрии. Генераторные катушки пи­таются током частотой 20 кГц. Аппаратура АИК-4 позволяет измерять эффективную электропроводность в диапазоне 2000— 10 мСм/м (0,5—100 Ом«м) при максимальной температуре до 150 °С.

Кривые ИМ

Кривые 0эф для всех зондов обычного индукционного метода против одиночных пластов в случае равенства электропровод­ностей вмещающих пород симметричны относительно середины пласта (рис. 65). Границы пластов при их средней и большой мощности определяются по середине аномалии, где ее ширина соответствует истинной мощности пласта h. Для пластов ма­лой мощности ширина аномалии на ее середине представляет собой фиктивную МОЩНОСТЬ Лф', Лф<Л.

Характерными показаниями кривой оэф против однородного пласта конечной мощности являются экстремальные значения эффективной электропроводности, против середины пласта — максимальные или минимальные.

На показания индукционных зондов искажающее влия­ние оказывают: 1) скважина; 2) явление скин-эффекта; 3) ог­раниченная мощность пласта и вмещающие породы; 4) зона проникновения фильтрата промывочной жидкости. В значение эффективной электропроводности необходимо вносить соответ­ствующие поправки за влияние указанных факторов. Влияние скважины может быть учтено по показаниям против пластов высокого удельного сопротивления (p_n-i>200 Ом-м), встречаю­щихся в разрезе. Линия нулевой электропроводности должна проходить по кривой оэф этих высокоомных пластов.

Влияние скин-эффекта на показания оэф учитывается с по­мощью графиков Оэф~/(Рэф), построенных по теоретическим формулам для однородной среды (рис. 66, а). Эти графики позволяют перевести значения электропроводности в величины удельного сопротивления пород.

г

/

V 12

Рис. 65. Теоретические кривые обычного индукционного метода.

/—для даухкатушечиого зонда. ¿_И/4_С-1.875; 2 — для фокусирующего зонда. £„/<*_с *■ -2.25; 3—уровни значений истинного удельного электрического сопротивлении пород; пласты различного удельного электричесхого сопротивления: 4 — р_пл-Ю Ом • м; 5 — р_пл=ЮОм-м; 6 — Р,_1Л-0.1 Ом • м; 7 — р_-» оо; 8 — зона проникновения промывочной

жидкости

Влияние конечной мощности пласта и вмещающих пород на показания а»* учитывается с помощью палеток поправоч­ных коэффициентов Кп (рис. 66, б).

Наличие зоны проникновения при £)₃п/^_с<4, повышающей сопротивление пласта, мало сказывается на показаниях ИМ.

Зона проникновения промывочной жидкости, понижающая со­противление пласта, оказывжм существенное влияние на ве­личину аэф. Оно тем значительнее, чем больше 0_9ПШ_С и р_пл/рап.

Области применения обычного низкочастотного индукционного метода и решаемые им геологические задачи

Этот метод получил широкое распространение при исследо­вании разрезов нефтяных и газовых скважин с промывочными жидкостями сравнительно низкой минерализации (р_р> 1 Ом • м). Кроме того, он может использоваться при изучении скважин с непроводящей промывочной жидкостью (известково-битумные растворы и др.), заполненных иефтыо и закрепленных трубами из диэлектриков (асбоцементные и полимерные обсадные ко­лонны).

В

¿Эф,^мСм/^м

ихревые токи, индуцированные в пластах, перпендику­лярных к оси скважины, практически не пересекают их границ, что существенно снижает влия­ние вмещающих пород на показания обычного индукци­онного метода. Благодаря при­менению фокусирующих уст­ройств индукционные зонды имеют благоприятные верти­кальные и радиальные ха­рактеристики, что позволяет

Рис. 66. Внесение поправок в пока­зания обычного низкочастотного ин­дукционного метода за влияние скин-эффекта (а) и конечной мощ­ности пласта (б).

и: I. 2. 3 - юнды 6Ф: ОД 1.2: 4ФА.75: б — шифр кривых — мощность пласта в м: К^ — поправка в величину р₉ф за влия­ние конечной мощности пласта

частично исключить влияние скважины, зоны проникновения и вмещающих пород на эффективную электропроводность.

Индукционный метод наиболее чувствителен к прослоям по­вышенной электропроводности и почти не фиксирует прослои высокого удельного сопротивления, т. е. при замерах сг_эф отсут­ствует явление экранирования, присущее обычным зондам ме­тодов КС квазиностоянного тока. Индукционные зонды сравни­тельно небольших размеров (0,75—1,40 м) обладают значи­тельным радиусом исследования, превышающим примерно в 4 раза радиус исследования обычных градиент-зондов КС.

Применение обычного низкочастотного индукционного ме­тода ограничено в случае использования соленых промывочных жидкостей, наличия зоны проникновения фильтрата промывоч­ной жидкости, понижающей сопротивление пласта, и при ис­следовании пород удельного сопротивления свыше 50 Ом* м.

Обычный низкочастотный индукционный метод позволяет более детально расчленять разрезы скважин, сложенные поро­дами низкого удельного сопротивления, выделять водоносные и нефтегазоносные пласты, изучать строение переходной зоны и уточнять положение контактов вода—нефть, вода—газ (см. рис. 30), определять истинное удельное сопротивление пород до 50 Ом • м.