Глава VII

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МЕТОД РАДИОВОЛНОВОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ

В группу диэлектрических методов входят диэлектрический индукционный метод (ДИМ) и волновой диэлектрический ме­тод (ВДМ). Среди радноволновых методов наибольшее рас­пространение получил метод радиоволнового просвечивания.

§ 28. Физические основы диэлектрических методов и метода радиоволнового просвечивания

Диэлектрическая проницаемость, являющаяся одной из ос­новных электрических характеристик горной породы, показы­вает, во сколько раз уменьшается взаимодействие единичных зарядов в данной среде по отношению к вакууму. На практике чаще используют относительное значение диэлектрической про­ницаемости, которое всегда превышает единицу. Относительная диэлектрическая проницаемость главных породообразующих минералов составляет 4—10, воды — около 80, нефти 2,0—2,7. Диэлектрическая проницаемость горных пород, которые явля­ются в общем случае многофазными многокомпонентными си­стемами, определяется их минеральным составом и структурой, соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз, типом на­сыщающего флюида, частотой поля и температурой.

Таким образом, диэлектрические методы, основанные на изучении диэлектрической проницаемости горных пород, позво­ляют получать сведения о физических свойствах горных пород при бескерновом исследовании разрезов скважин.

Диэлектрические методы основаны на изучении высокоча­стотного электромагнитного поля, э. д. с. которого зависит от интенсивности токов смещения, обусловленных диэлектриче­ской проницаемостью среды. На величину общего сигнала мо­гут влиять токи проводимости. Плотность токов определяется электропроводностью среды.

Исходя из уравнения Максвелла (15), которое можно пред­ставить в виде

(97)

вихрь напряженности магнитного поля определяется вторым слагаемым, представляющим собой плотность токов смещения

в случае переменного поля достаточно высокой частоты (по­рядка десятков мегагерц) или малой электропроводности среды (а+0).

Анализ уравнения (97) показывает, что при о)е_а/о<С1 вели­чина диэлектрической проницаемости среды не влияет на ин­тенсивность магнитного поля. При преобладании токов смеще­ния (08_а/а>1 величина сигнала не зависит от проводимости среды и полностью определяется се диэлектрическими свойст­вами. Величина плотности токов смещения может быть соизме­рима с величиной плотности токов проводимости при (ое_а/о> >0,2. При сравнительно невысоких значениях удельных сопро­тивлений пород это соотношение удовлетворяется на частотах, равных десяткам мегагерц, и лишь при высоком удельном элек­трическом сопротивлении (свыше 500 Ом • м)—на частотах, равных единицам мегагерц. Таким образом, зависимость изме­ряемого магнитного поля от е_а возрастает с повышением ча­стоты.

Теоретические и экспериментальные исследования, прове­денные Д. С. Даевым, Ю. Н. Антоновым, Ю. Л. Брылкиным, показали, что диэлектрическую проницаемость пород целесооб­разнее изучать на частотах порядка десятков мегагерц. При этом могут быть использованы как амплитудные, так и фазо­вые способы измерения характеристик магнитного поля. Спо­соб, основанный на измерении характеристик магнитного поля, создаваемого индукционными датчиками, нашел практическое применение.

Метол радиоволнового просвечивания основан на изучении изменения энергии высокочастотного электромагнитного поля при прохождении радиоволн через горные породы. Породы вы­сокой электропроводности обладают большей способностью по­глощать электромагнитную энергию, чем плохо проводящие тела. Тела с высокой электропроводностью служат для прохо­дящих радиоволн экранами. Наибольшее ослабление напря­женности электромагнитного поля наблюдается при прохожде­нии радиоволн через сплошные рудные тела. Эффект поглоще­ния радиоволн зависит от электромагнитных свойств пород и руд, геометрических размеров и объема проводящих тел, мощ­ности и частоты зондирующего поля, расстояния между пере­датчиком и приемником.

§ 29. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ Л\ЕТОД

В диэлектрическом индуктивном методе (ДИМ) измеряется абсолютное значение амплитуды вторичного магнитного поля. Для исследования разрезов скважин применяются трехкату­шечные зонды с двумя измерительными и одной генераторной катушками (И|0, 2ЙгО, 8Г) или с двумя генераторными и од­ной измерительной катушками (И0, 8Г|0, 2Г₂) (рис. 70). Ча­стота тока питания генераторной катушки 15—64 МГц. Рас- 132

стояние между сближенными ка­тушками является базой зонда, а середина этого расстояния условно принята за точку записи кривой ДИМ.

О

-Г-ери!

Г,

-*-сЬи2

ОН

-о г

Рис. 70. Схемы трехэлемеит- ного высокочастотного индук­ционного и диэлектрического зондов с двумя измеритель­ными (а) и двумя генератор­ными (б) катушками.

Г. Г2 — генераторные основные катушки: Г1 — фокусирующая ге­нераторная катушка.

т высокочастотного генератора в окружающей среде возбуждаются вихревые токи. Индуцированные токи представляют собой сумму то­ков смещения, плотность которых определяется диэлектрической про­ницаемостью пород, и токов прово­димости с плотностью, зависящей от электропроводности пород. Эти токи наводят э. д. с. в измерительной ка­тушке. Величина э. д. с., фиксируе­мая на выходе измерительной ка­тушки, пропорциональна диэлектри­ческой проницаемости и электропро­водности пород. Переход от изме­ряемой величины к диэлектриче­ской проницаемости пород осуще­ствляется с помощью специальных палеток, которые позволяют ввести в измеряемый сигнал по­правки за влияние электропроводности среды. Величина о_пл может быть установлена по данным метода БЭЗ либо обыч­ным низкочастотным индукционным методом.

Кроме абсолютного значения амплитуды вторичного поля, может быть зарегистрирована разность его амплитуд

АА=А_г— А_г,

^г1 V

где Л_?1 = Я_гз/Я_2о; А_2<1 = #*_#///*₀; Я_7>, Я^ — осевые составляющие

напряженности магнитного поля диполя на расстояниях и г₂ от генераторной катушки; Я_?0— вертикальная компонента магнитного ноля в воздухе.

Разность амплитуд напряженностей магнитного поля в вол­новой зоне (|/г2|^>1, где к—волновое число) в случае, если токи смещения соизмеримы с токами проводимости или пре­вышают их, определяется по формуле

ДЛ= е-*л/7+Ь* г_г д/(е-‘^Д2^)^,-^2е"“^г сю«дг+1,

(98)

где а и Ь — коэффициенты в выражении для волнового числа, определяемые формулами (8), (9) и (10).

Из (98) следует, что разностная амплитуда в волновой зоне зависит от расстояния между генераторной и ближней к ней

измерительной катушками 22, величины поглощения энергии поля на этом пути е“^Ьг\ отношения расстояний 21/22, поглоще­ния и фазового сдвига на интервале Д2, определяемых величи­нами функций е^_6Л2 и соваД^.

В двухчастотном варианте ДИМ амплитуда вторичного поля измеряется на двух частотах 32 и 64 МГц или 1 и 32 МГц. По результатам измерений ДИМ на двух частотах с трехкатушечным фокусированным зондом раздельно опреде­ляются с помощью специальных номограмм диэлектрическая проницаемость и электропроводность среды.

Недостатком диэлектрического индукционного метода явля­ется влияние на результаты измерений параметров скважины и электропроводности пород. Для устранения этого недостатка Ю. Н. Антонов предлагает использовать пятиэлементный зонд с частотно-геометрической фокусировкой, который обладает бо­лее высокими глубинностью исследования и чувствительностью к изменению диэлектрической проницаемости пласта по срав­нению с трехэлементными зондами ДИМ.

Аппаратура диэлектрического индукционного метода

Одночастотная аппаратура ДИМ. Аппаратура ДИМ состоит из генераторного и измерительного блоков, между которыми расположен зонд (рис. 71, а). Генераторный блок включает за­дающий генератор ГЗ, усилитель напряжения У1, усилитель мощности У2 и автономный источник тока ИТ. Стабилизиро­ванный генератор позволяет вырабатывать частоту 24 или

5. МГц. Измерительный блок состоит из смесителя С, усили­теля напряжения УЗ, усилителя мощности У4 и измерительного выпрямителя ВИ. Измерительная часть прибора питается по­стоянным током силой 220 мА и напряжением 100—150 В от ис­точника ВП.

При измерениях используется трехэлементный зонд И0, 8ГД 2Г₂, состоящий из основной Г2 и фокусирующей Г1 гене­раторных катушек и измерительной И катушки. Фокусирующая катушка предназначена для исключения влияния сигнала пря­мого поля задающего генератора па измерительную катушку. Длина зонда 1 м. Измеряемое напряжение по двум жилам ка­беля поступает на поверхность к регистрирующему прибору РП.

Одночастотная аппаратура ДИМ позволяет производить измерения диэлектрической проницаемости в диапазоне 5—40 относительных единиц в породах с удельным сопротивлением от 4 Ом • м и выше при температуре до 90 °С и давлении до 40 МПа.

Двухчастотная аппаратура ДИМ. Эта аппратура разрабо­тана в ИГГ СО АН СССР Ю. Н. Антоновым для измерения в скважине электромагнитных полей на двух парах частот: 32 и 64 МГц, 1 и 32 МГц. На рис. 71 _у б изображена блок-схема аппаратуры ДИМ, работающая на частотах 32 и 64 МГц. Ап-

Рис. 71. Блок-схема одночастотной (а) и двухчастотной (б) аппаратуры диэлектрического индукционного метода и аппара­туры волнового диэлектрического метода (в).

Д1. Д2 — детекторы

паратура позволяет определять диэлектрическую проницае­мость пород удельного электрического сопротивления свыше

11. Ом-м при £>зпА*_с<4, стабильна в работе при температуре до 100 °С.

Кривые диэлектрического индукционного метода

Кривые отношения разности амплитуд ДЛ' = | Л^—А_2г |' в неоднородной среде против одиночных изотропных пластов различной мощности и поляризуемости к разности амплитуд АЛ--=|Л_г1—у4-₂| в однородной среде асимметричны (рис. 72). Против мощного пласта (Н>Ь) характерные показания снима­ются в средней его части. Против маломощных пластов асим­метрия кривых ДИМ еще более значительна, чем против мощ­ных пластов. Отбивка границ пластов по кривым ДИМ затруд­нительна.

Результаты измерений диэлектрическим индукционным ме­тодом в скважинах не есть кажущаяся диэлектрическая проин-

Рис. 72. Кривые отношения разности амплитуд ДИМ, записанные против пластов с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью (по Д. С. Да­еву).

/. 2 — неоднородная н однородная срсды: 3 — пласт, а, б — е„_л ~20: р_11Л-«20 Ом • м: ^вцы P_B»*'’í>⁰ Ом • м; в. г — е_пЛ-5; р_пд=50 Ом • м; е_#м = 20 Ом-м; о,в —Л-0.5 м; б, г — А—2 м. Зонд И,0.2И_:0.8Г; /-<60 МГц

цаемость изучаемых пластов, как в методе кажущегося сопро­тивления. В общем случае кривая диэлектрического метода характеризует диэлектрическую проницаемость и удельное электрическое сопротивление пород. В связи с этим возникает необходимость перехода от измеряемых комплексных характе­ристик к кажущейся диэлектрической проницаемости. В этом случае под кажущейся диэлектрической проницае­мостью следует понимать значение диэлектрической прони­цаемости такой однородной непроводящей среды, показания в которой равны показаниям в данной неоднородной среде с конечным сопротивлением. Переход от величии, измеренных ДИМ, к кажущейся диэлектрической проницаемости пород осу­ществляется с помощью специальных палеток.

Области применения диэлектрических методов и решаемые ими геологические задачи

В случае насыщения коллекторов пресными водами их не­возможно отличить от нефтеносных пластов методами сопро­тивления или электропроводности. В то же время различие зна­чений диэлектрической проницаемости пород, насыщенных прес­ной водой (е_в.п= 16-í-25) и нефтью (е„. 12), позволяет разграничивать их достаточно уверенно. Появление пресных вод в нефтеносных пластах обычно наблюдается при законтур­ном н внутриконтурном заводнении их в процессе разработки месторождения. Описываемые методы позволяют также опре­делить коэффициент нефтенасыщсния таких пластов.

Диэлектрические методы могут быть использованы для изу­чения разрезов скважин, заполненных непроводящей промы­вочной жидкостью, закрепленных полимерными или асбоце­ментными трубами, для исследования гидрогеологических и ин­женерно-геологических скважин, разрезов скважин, сложенных малопористыми породами высокого сопротивления.

Диэлектрические методы позволяют более детально расчле­нять разрезы скважин, сложенные породами среднего и высо­кого удельного электрического сопротивления, выявлять места прорыва пресных вод, нагнетаемых при разработке месторож­дения, исследовать водоносные пласты, насыщенные пресными пластовыми водами, определять истинную диэлектрическую проницаемость пород с целью изучения их коллекторских свойств и пефтенасыщения.