2.6 Індукційний каротаж

Індукційний каротаж (ІК) – метод електричного каротажу, заснований на індукціюванні електромагнітним полем вихрових струмів у присвердловинному просторі і вимірюванні уявної питомої електропровідності гірських порід. Найпростіший зонд індукційних методів складається з двох котушок (генераторної та приймальної), які опущені в свердловину. Відстань між серединами котушок є довжиною індукційного зонда (L_i). Генераторна котушка зонда підключена до генератора змінного струму ультразвукової частоти 20-60 кГц і живиться стабілізованим за частотою та напругою струмом. Приймальна котушка зонда живиться підсилювач та фазочутливий елемент і підключена за допомогою кабелю до реєструючого пристрою, що розміщений на поверхні. Змінний струм, який протікає в генераторній котушці, створює змінне магнітне поле, яке в свою чергу індукує в середовищі, що оточує зонд, вихрові струми, які формують вторинне змінне магнітне поле такої ж частоти, що й первинне поле.

Електрорушійна сила (е.р.с.), що генерується вторинним полем у приймальній котушці, складається з двох складових – активної та реактивної. Свердловинним приладом реєструють сигнал активної складової е.р.с., яка прямопропорційна електропровідності середовища. З ростом електропровідності середовища е.р.с. активного сигналу збільшується повільно за складним законом. Порушення пропорційності між величиною активного сигналу та електропровідністю середовища пов’язане із взаємодією вихрових струмів. Чим більша частота струму та електропровідність середовища, тим значніша взаємодія вихрових струмів і, відповідно, суттєвіший вплив скін-ефекту на покази індукційного каротажу. Активний сигнал реєструють на поверхні у вигляді кривої, яка відображає зміну електропровідності порід у свердловині. Точка запису індукційного зонда є середина відстані між центрами генераторної та приймальної котушок. Одиницею вимірювання електропровідності порід є См/м – величина, яка обернена питомому опору. Але на практиці в основному використовують мСм/м.

На результати вимірювання простим двохкотушковим зондом значно впливає свердловина, зона проникнення та вміщуючі породи, а також прямий сигнал від генераторної котушки. Для зменшення цих факторів і виключення прямого сигналу Долль запропонував багатокотушкові фокусуючі зонди.

Багатокотушковий зонд представляє собою систему котушок, які закріплені на одному ізольованому стержні (рис. 2.18). Генераторна котушка ГК і приймальна котушка ПК є основними (головними), інші котушки називаються фокусуючими і компенсаційною. Фокусуючі котушки в генераторній ФГ і приймальній ФП ланках призначені для зменшення впливу фонових сигналів, які викликані вихровими струмами, що циркулюють у свердловині, в зоні проникнення та вміщуючих породах. Компенсаційна котушка К служить для виключення в приймальній котушці е.р.с. прямого поля, яка індукується генераторною котушкою.

а, б – трьохкотушкові зонди; в – п’ятикотушковий зонд; ФГ, ФП – відповідно, фокусуючі котушки в генераторній та приймальній ланках

Рисунок 2.18 – Схеми індукційних зондів

Точкою, до якої відносяться результати вимірювання, є середина відстані між головними (генераторною ГК і приймальною ФП) котушками.

Фокусуюча дія котушок досягається за допомогою підбору числа їх витків, розміщення та включення їх відносно головних котушок. Число додаткових котушок, їх взаємне розміщення та число витків повинно бути таким, щоб, в значній мірі, виключати вплив свердловини, зони проникнення та вміщуючих порід, а ефективна електропровідність була як найближче до дійсного значення електропровідності пластів. Компенсаційна та фокусуючі котушки включаються послідовно з головними, але їх витки намотані обернено виткам генераторної та приймальної котушок.

У позначенні зондів перша цифра відповідає числу всіх котушок. Буква Ф означає, що зонд – фокусуючий. Остання цифра відповідає довжині зонда L_i. Наприклад індукційний зонд 5Ф1,2 – п’ятикотушковий, фокусуючий, довжиною 1,2 м.

Багатокотушечні зонди діляться на симетричні та несиметричні. Симетричними зондами називають такі, в яких спостерігається симетрія в розміщенні фокусуючих котушок відносно точки запису та рівність похідних моментів котушок для всіх симетрично розміщених фокусуючих пар. До симетричних зондів відносяться п’яти – та шестикотушечні зонди, а до несиметричних – трьох- та чотирьохкотушечні. Розрізняють зонди з внутрішнім фокусуванням (додаткові котушки, розміщені в зонді між головними), зовнішнім фокусуванням (додаткові котушки розміщені поза довжиною зонда) та із змішаним фокусуванням (додаткові котушки розміщені як і всередині, так і поза межами зонда).

Ступенем фокусування індукційного зонда К_ф називається відношення сигналу в однорідному середовищі Е_бк для багатокотушечного зонда до сигналу для двохкотушечного зонда Е_дк, тобто:

(2.25)

Розрізняють зонди з слабким фокусуванням (K_Ф>0,3) і сильним фокусуванням (K_Ф<0,3).

Основна мета індукційного каротажу визначається необхідністю більш достовірної оцінки питомих електричних опорів порід, розкритих геологічних розрізів в процесі буріння пошукових та розвідувальних свердловин.

В індукційному картажі (частоти до 250 КГц) для проектування зондів використовують принципи частотної і геометричної фокусіровки. Для геометричної фокусіровки моменти котушок і віддалі між ними підбирають таким чином, щоб суттєво зменшити вплив свердловинних умов та зони проникнення на вимірюючі параметри. Окрім цього, для покращення фокусіровки зондів та підвищення їх роздільної здатності, використовують принцип вимірювання різниці електрорушійної сили на різних частотах. Такий підхід значно підвищує радіальні характеристики фокусуючих зондів, збільшує величину інформаційного сигналу, особливо коли розмір зондів співвимірний із товщиною пластів.

Таким чинок при проектуванні типу зондів необхідно знайти компромісне вирішення протиріччя між необхідністю пониження частот, або збільшення розмірів зонда для покращення радіальних характеристик та потребою підвищення частот і зменшенням розміру зонда для покращення вертикальних характеристик методу.

Враховуючи вище приведене для вирішення цих протилежностей використовують принципово новий спосіб фокусіровки змінного електромагнітного поля в області високих частот (від 0,5 до 15 МГц). Використання високих частот в індукційному каротажі значно підвищує рівень інформаційних сигналів та розширює діапазон меж вимірювання електропровідностей гірських порід.

На даний час розроблені такі високочастотні індукційні методи дослідження свердловин: високочастотний індукційний каротаж; хвильовий каротаж провідності та високочастотне індукційне каротажне ізопараметричне зондування. Найбільш широкого застосування у теперешній час набув останній з вказаних методів.

Високочастотне індукційне каротажне ізопараметричне зондування (ВІКІЗ). Цей метод був запропонований Ю.М. Антоновим у 70-х роках ХХ сторіччя. Суть методу ВІКІЗ полягає у тому, що при застосуванні індукційних трьохкотушечних зондів різної довжини L і різних частот зондування f повинні виконуватись умови ізопараметричності, тобто:

(2.26)

де f – частота, гц; L_i – довжина і-го зонда (відстань від генераторної котушки до віддаленої вимірювальної котушки), м; Δl_i –база і-го зонда (відстань між його вимірювальними котушками), м.

В апаратурі ВІКІЗ вибрані наступні значення ізопараметрів:

та

Існує однозначний зворотній зв’язок між величиною різниці фаз у приймальних котушках Δφ і питомим електричним опором (ПЕО) ρ середовища, який застосовують для введення уявного ПЕО ρ_у. У однорідному середовищі покази усіх зондів ВІКІЗ відповідають одному значенню уявного ПЕО, що дорівнює дійсному ПЕО середовища.

Структурна схема апаратури ВІКІЗ. В апаратурі ВІКІЗ використовують набір із п’яти трьохкотушкових зондів. Конструктивно зондовий пристрій виконаний на єдиному стержні і всі котушки розміщені по одній осі. Геометричні характеристики зондів наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Геометричні характеристики зондів апаратури ВІКІЗ

Схема зондів	Довжина (м)	База (м)	Точка запису, м
В6 0,40 В5 1,60 Г5 В5 0,28 В4 1,13 Г4 В4 0,20 В3 0,80 Г3 В3 0,14 В2 0,57 Г2 В2 0,10 В1 0,40 Г1 ПС	2,00 1,41 1,00 0,71 0,50	0,40 0,28 0,20 0,14 0,10	3,28 2,88 2,60 2,40 2,26 3,72

Всі генераторні і вимірювальні котушки зондів меншої довжини розміщені між котушками двохметрового зонда на рис. 2.19 приведена схема розміщення котушок на зондовому пристрої. Генераторні і вимірювальні котушки позначені відповідно індексами: Г₁, Г₂, Г₃, Г₄, Г₅ та В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆.

Рисунок 2.19 – Схема розміщення вимірювальних і генераторних котушок на зондовому пристрої ВІКІЗ

Структурна схема свердловинного приладу складається із блоків електронних модулів які забезпечують почергову роботу зондів (рис. 2.20).

1-5 – підсилювачі потужності; 6-11 – змішувачі; 12 – аналоговий комутатор; 13 – гетеродин; 14 – модуль управління свердловинним приладом; 15 – підсилювач проміжної частоти, 17 – опорний кварцовий генератор; 18 – широкополосний фазометр; 19 – передавач телеметричної системи; 20 – вихідний пристрій; 21 – блок живлення

Рисунок 2.20 – Структурна схема свердловинного приладу ВІКІЗ

У першій позиції включається перша генераторна котушка Г₁ і вимірюється різниця фаз між е.р.с. наведеними у вимірювальних котушках В₁ і В₂. У другій позиції включається генераторна котушка Г₂ і вимірюється різниця фаз між е.р.с. наведеними у вимірювальних котушках В₂ і В₃. Згідно такого циклу включаються наступні генераторні котушки і вимірюється різниця фаз між е.р.с. у відповідних вимірювальних котушках.

Змішувачі (6-11) розміщуються поряд з вимірювальними котушками. Поряд з ними розміщюється аналоговий комутатор (12). Всі інші модулі знаходяться в блоці електроніки

Свердловинний пристрій підключають до наземної панелі за допомогою трьохжильного кабелю. Функцію реєстрації виконує відповідна комп’ютерна програма, що розміщена у автономній мікропроцесорній системі і яка забезпечує:

- живлення свердловинного приладу;

- прийом цифрових сигналів із свердловинного приладу;

- реєстрацію сигналів фазових зсувів у непроводящій породі;

- трансформацію інформаційних сигналів у значення нормової різниці фаз;

- перетворення результатів обробки в аналогові сигнали (якщо використовуються аналогові реєстратори);

- передачу результатів обробки за стандартним інтерфейсом RS – 232.

Наземна панель складається із наступних блоків:

• мікроконтролерара;

• формувача вхідного сигналу;

• п’ятиканального цифроаналового перетворювача;

• інтерфейса RS - 232;

• світодіодного індикатора;

• фільтра сигналу ПС;

• блоку живлення.

Призначення методу ВІКІЗ. За результатами ВІКІЗ вирішують наступні задачі:

- розчленування геологічних розрізів в тому числі тонкошаруватих;

- визначення положення водонафтових і газоводяних контактів;

- визначення питомого електричного опору незайманої частини пласта, зони проникнення фільтрату бурового розчину з оцінкою глибини витіснення пластових флюїдів;

- виділення і оцінка параметрів радіальних неоднорідностей в області проникнення, в тому числі скупчення пластової води (облямовуюча зона).

На відміну від трьохкотушочних низькочастотних індукційних методів в яких вимірюються абсолютні значення сигналів на фоні зкомпенсованого прямого поля, метод ВІКІЗ, який базується на вимірюванні відносних фазових характеристик, може використовуватися для дослідження у свердловинах заповнених буровим розчином з питомим електричним опором менше 0,5 Ом·м.