§ 27. Высокочастотные индукционные методы

В высокочастотных индукционных методах исследования скважин используются частоты питающего тока от 0,5—1,0 МГЦ до нескольких десятков мегагерц. При таких частотах в соот­ветствии с первым уравнением Максвелла для гармонически изменяющегося поля (15) величина полезного сигнала опреде­ляется как токами проводимости, так и токами смещения.

Высокочастотные индукционные методы включают абсолют­ный, относительный, разностный и разностно-относительный. В абсолютном методе измеряется амплитуда э. д. с., возникаю­щей в измерительной катушке, в относительном—отношение амплитуд двух сигналов, в разностном — разность сдвига фаз или амплитуд составляющих электромагнитного поля и в раз­ностно-относительном — отношение разности амплитуд к одной из амплитуд поля.

Среди высокочастотных индукционных методов наиболее полно разработаны обычный высокочастотный индукционный метод (ВИМ), волновой метод проводимости (ВМП) и метод высокочастотного индукционного изопара метрического зонди­рования (ВИИЗ).

Изучение низкочастотным индукционным методом пород с удельным электрическим сопротивлением свыше 50 Ом • м не­возможно из-за низкого уровня получаемого сигнала.

Относительный уровень величины активной э. д. с. вторич­ного поля £_акт в долях прямого поля £_п. _п для двухкатушечного зонда при незначительном скин-эффекте (высокоомная среда) определяется выражением

¿и/

£«КТ £п. п ⁼" I ■ *' ■ , (96)

Рл

где / — циклическая частота, Гц; р„ — удельное сопротивление среды, Ом • м; £_и — длина зонда, м.

Из (96) следует, что уровень сигнала уменьшается с ростом удельного сопротивления среды и увеличивается за счет удли­нения зонда и повышения частоты тока питания генераторной катушки. Увеличивая размер зонда с целью повышения уровня полезного сигнала, можно ухудшить его вертикальные характе­ристики, т. е. уменьшить разрешающую способность по верти­кали. Увеличивать активную э. д. с. целесообразнее всего, как показали теоретические и экспериментальные исследования, за счет повышения частоты, так как в этом случае улучшаются вертикальные характеристики и сохраняются радиальные.

Расчеты показывают, что при минимальном уровне полез­ного сигнала, равного 1 % от прямого сигнала, и сопротивле­нии пород 150—200 Ом-м необходимо увеличить частоту поля до 1—3 МГц. Однако с повышением частоты изменяется и ми­нимальная величина регистрируемого удельного сопротивления. Так, для трехкатушечного зонда длиной 1 м при частоте

5. МГц она составляет 1,5—2,0Ом • м. Для определения удель­ного сопротивления пластов в более широком диапазоне С. М. Аксельрод предлагает использовать две частоты: 10— 50 кГц для интервала сопротивлений 0,3—20 Ом • м и 1 — 3 МГц— для 10—200 Ом • м.

Глубинность исследования высокочастотным зондом с про­дольным датчиком в пластах с р_ПЛ = 20 Ом-м составляет 3,5 м, а при рпл = 80 Ом-м — более 4 м. Диаметр зоны исключения равен 0,6 м [4].

Высокочастотная аппаратура ВИК-1М и ВИК-100 основана на использовании зонда 4Ф1. Электропроводность пород изме­ряется при частоте возбуждающего ноля 1 МГц.

Волновой метод проводимости

Способы измерения при волновом методе проводимости (ВМП) основаны на волновых представлениях о распростране­нии электромагнитной волны в изучаемой среде. Рассмотрим распространение электромагнитной волны в скважине.

Электромагнитная волна, об­разованная генераторной катуш­кой Г, частично отражается от стенки скважины в промывоч­ную жидкость, частично прони­кает в горные породы (рис. 67).

В

Рис. 67. Схема распространения электромагнитной волны в сква­жине.

а — двухэлементный зонд: 6 — трех­элементный зонд: И. Ш. И2 — изме­рительные катушки

скважине волна быстро зату­хает, а в горных породах (боко­вая волна), скользя вдоль по­верхности раздела скважина — порода, распространяется па значительное расстояние от ис­точника излучения. Если длина зонда в несколько раз больше диаметра скважины, то величина сигнала в измерительной катуш­ке определяется боковой волной.

Волна от источника поля до из­мерительной катушки И прохо­дит путь, состоящий из участков АВ, ВС и Сй. На этих участ­ках происходят затухание и фазовый сдвиг колебаний. Полез­ный сигнал, связанный с электрическими свойствами пород, формируется на участке ВС. На участках АВ и СО влияние скважины па амплитуду и фазу поля в точке приема может быть определяющим, так как фазовая постоянная и коэффи­циент затухания волны в промывочной жидкости выше, чем в горных породах. В связи с этим необходимо выбирать такой способ измерения вторичного поля, при котором влияние сква­жины исключается.

При абсолютном способе измерения сигнала влияние сква­жины устраняется путем включения в цепь индукционного зонда дополнительных фокусирующих катушек. При относительном способе измерения применяется трехэлектродный зонд с двумя измерительными катушками И1 и И2, расположенными одна от другой на расстоянии Д7.. Это расстояние называется ба­зой зо и да (см. рис. 67). Пути волны от источника поля до катушек И2 — АВО и И1 —АВР отличаются на длину Д2. Если измерять разность фаз Д<р волны между первой и второй ка­тушками, то влияние скважины устраняется, поскольку она вносит одинаковый фазовый сдвиг в сигнал. Разность фаз Д<р определяется свойствами пород па участке длиной М.

Влияние скважины можно исключить, если измерять отно­шение амплитуд в измерительных катушках. Отношение ампли­туд характеризует затухание волны на участке Д2, величина которого зависит от проводимости пород.

В описываемом методе способ регистрации сигнала позво­ляет сохранять фокусирующие свойства установки на частотах, равных десяткам мегагерц, а также при соленых промывочных жидкостях. Измерение угла сдвига фаз или отношения ампли-

туд напряженности поля с помощью зонда с двумя измеритель­ными катушками дает возможность определять электропровод­ность Опл или диэлектрическую проницаемость е,™ пластов. При работе на частотах 1—3 МГц величина измеряемого сигнала зависит главным образом от электропроводности среды (пре­обладают токи проводимости).

В волновом методе проводимости регистрируется разность фаз Д<р, или отношение амплитуд А_г /А_г, или отношение раз­ности амплитуд к одной из амплитуд поля (/Ц—Эти отношения свободны от влияния скважины и частично зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости.

Волновой метод проводимости обеспечивает достаточную глубинность исследования, которая определяется длиной зон­да — расстоянием между генераторной катушкой и серединой измерительных катушек. Вертикальная характеристика зависит от регистрируемой величины и базы зонда \Z. Породы, находя­щиеся в интервале между генераторной и ближайшей к ней из­мерительной катушками, на величину сигнала оказывают не­значительное влияние, поэтому для повышения глубинности зонда можно увеличивать его размер до 2—3 м и более.

К ривые разности фаз против одиночных однородных пла­стов ограниченной мощности и разного сопротивления имеют асимметричную форму (рис. 68). Расстояние между точками перехода от крутого спада к постепенному снижению является истинной мощностью пласта при длине зонда, меньшей или равной мощности пласта. Характерная особенность кривой —

о

Рнс. 68. Кривые отношения разности фаз волнового метода проводимости, зарегистрированные против пластов с высокой диэлектрической проницае­мостью (по Д. С. Даеву).

/» 2 — неоднородная н однородная срсды: 3 — пласт. Зонд И,0.2И_г0.8Г: /=60 МГц; е_пЛ -20; Р_ПЛ "”20 Ом • м; 8_ВМ =5; Р_вм-50 Ом • м. а — Л — 0.25 м; 6 — Л-0.5 м; в — П-1 м: г — Л—2 м; Дф' и Дф—разность фаз в неоднородной и однородной средах

экстремальное значение Д<р: максимальное в случае пласта вы­сокой проводимости, минимальное — при низкой проводимости пласта. Если мощность пласта меньше длины зонда, в его по­дошве отмечается максимум при высокой проводимости н ми­нимум — при низкой проводимости.

Волновой метод проводимости обеспечивает измерение элек­тропроводности пород в диапазоне 300—10 мСм/м (0,3— 100 Ом-м), глубинность исследования среды 0,7—0,8 м и выде­ление в разрезе пластов мощностью 0,5 м и больше. Использо­вать следует зонды разной глубинности исследования — И1О, 4ИгО, 4Г; ИД 4И₂0, 8Г и И|0, 4ИЛ,8Г при рабочей частоте

1. МГц [11].

Метод высокочастотного индукционного изопараметрического зондирования

Существующим модификациям индукционного бокового зондирования — геометрическому и частотному — присущ сле­дующий недостаток: измеряемые характеристики электромаг­нитного поля даже в случае однородной изотропной среды с по­стоянной электропроводностью не остаются одними и теми же, а зависят от изменения зондирующих параметров — длины зонда и частоты ноля, что приводит к ложному представлению об изменении электропроводности этой среды и, разумеется, затрудняет интерпретацию результатов исследований в неод­нородных средах. Для устранения этого недостатка обычного индукционного зондирования Ю. И. Антонов предложил метод высокочастотного индукционного изопараметрического зонди­рования (ВНИЗ). Сущность этого метода заключается в том, что произведение меняющихся длин зондов и частот поля У/* (¿и. 1 л/Л) позволяет сохранить неизменными величины аб­солютных характеристик поля — амплитуды и фазы — в одно­родной изотропной среде с фиксированным значением электро­проводности. Соблюдение изопараметричности, т. е. постоян­ства произведения ¿_и. ¿V/*' достигается тем, что с увели­чением длины зонда частота возбуждающего поля снижается, а с уменьшением длины зонда, наоборот, повышается. Благо­даря такой взаимокомпенсации конструктивных параметров зонда измеряемые характеристики поля зависят только от удельного электрического сопротивления среды. Чтобы выдер­жать условие изопараметричности при измерении разности фаз, необходимо обеспечить постоянным отношение базы зонда к его длине \ZijLn,

В зоидовое устройство для записи кривых ВИИЗ входят пять трехэлементных геометрически подобных зондов, состоя­щих из одной генераторной и двух измерительных катушек с изопараметром 1 д/7 = 1,87 • 10³. Пять кривых Дер позволяют оценить радиальный градиент удельного электрического сопро­тивления в пластах-коллекторах. Методом ВИИЗ измеряется

Рис. 09. Кривые ВНИЗ против низкоомного (а) и высокоомного (б) пла­стов.

Зонды, частота: / — 0.5 м; /-10 МГц; 2 —¿_н = 1 м; /-2.5 Мгц; 3 — /.„ — 1,8 м; /- -0.77 МГц; А1_И> -0.3

удельное сопротивление пород в достаточно большом диапа­зоне— от долей единицы до первых сотеи ом-метров. Различ­ная глубинность исследования и независимость измеряемых ха­рактеристик электромагнитного поля от изменения зондирую­щих параметров установки обеспечивается изопараметрнческим сочетанием длин геометрически подобных зондов с частотами возбуждающих токов.

Кривые изопараметрического профилирования против низ­коомного и высокоомного пластов 4-метровой мощности для зондов трех размеров и трех возбуждающих частот изобра­жены на рис. 69. Кривые асимметричны относительно середины пластов. Подошва низкоомного пласта отбивается примерно на ²/з амплитуды Дф ближе к экстремуму, кровля — посередине амплитуды Дф (рис. 69, а); подошва высокоомного пласта от­мечается посередине амплитуды Дф, кровля — на расстоянии около % амплитуды Дф от вмещающих пород (рис. 69,6). Вме­щающие низкоомные и высокоомные породы не оказывают влия­ния на результаты измерения электропроводности пласта, если его мощность в 2 раза больше длины зонда (Л>2£_и). Кривые ВНИЗ обладают высокой расчленяющей способностью, и про­тив пластов мощностью Л>2Ь_и и сопротивлением р_п^50 Ом • м экстремальные значения Дф совпадают с величинами разности фаз в однородной безграничной среде.

Для метода ВНИЗ создана теория и выполнены модельные исследования, на основе которых разработана методика интер­претации данных ВИИЗ и заложены научные предпосылки конструирования скважинной аппаратуры.