3.10. Индукционный каротаж

Индукционный каротаж (ИК) является электромагнитным методом, основанным на измерении кажущейся удельной элек­ трической проводимости горных пород. ИК выгодно отличается от каротажа обычными зондами и от БК тем, что применим не только в скважинах, заполненных промывочной жидкостью (прово­ дящей ток), но и в скважинах с непроводящей жидкостью (неф­ тью или промывочной жидкостью, приготовленной на нефтяной основе), воздухом или газом.

Измерения при индукционном каротаже производятся с по­ мощью спускаемого в скважину глубинного прибора, состоящего в наиболее простом виде из двух катушек: возбуждающей, питае­ мой переменным током, и приемной (измерительной), снабженной усилителем и выпрямителем (рис. 27).

Электронная схема прибора обеспечивает питание генератор­ ной катушки переменным током частотой 20-80 кГц, усиление и преобразование сигнала измерительной катушки. Переменный ток, протекающий по генераторной катушке, создает переменное магнитное поле (прямое или первичное), индуцирующее в окру­ жающих породах вихревые токи. В однородной среде силовые линии тока представляют собой окружности с центром по оси скважины (если ось глубинного прибора совпадает с осью сква­ жины). Вихревые токи в породах создают вторичное магнитное поле.

Первичное и вторичное переменные магнитные поля индуци­ руют ЭДС в приемной катушке. Индуцированная первичным по­ лем ЭДС Ei является помехой и компенсируется введением в цепь приемной катушки равной ей ЭДС и противоположной по фазе. Остающаяся в измерительной цепи ЭДС Еъ индуцированная вторичным магнитным полем вихревых токов, подается в измери­ тельный преобразователь для усиления и преобразования, после чего посылается по жиле кабеля на поверхность, где записывается регистрирующим прибором.

а б

Рис. 27. Принципиальная схема прибора ИК:

а - пространственная схема; б - разрез вдоль оси скважины; 1 - генерат ор; 2 - генерат орная кат уш ка; 3 - усилит ель

сприемной (измерительной) катушкой; 5 - преобразователь

сфазочувствительным элемент ом; L - длина зонда;

О- точка записи

Амплитуда тока в генераторной катушке в процессе замера поддерживается неизменной, а сила вихревых токов, возникающих в окружающей породе, определяется удельной электрической прово­ димостью (электропроводностью) породы. Соответственно ЭДС Ег, наведенная вторичным полем в измерительной катушке, в первом приближении пропорциональна электропроводности горных по­ род ап, следовательно, пропорциональна их удельному сопротивле­ нию. Зарегистрированная по стволу скважины кривая должна характе­ ризовать изменения удельной электропроводности породы в разрезе.

В однородной изотропной среде с удельной электропроводно­ стью 0„, когда частота тока питания и проводимость среды неве­ лики (взаимным влиянием вихревых токов можно пренебречь)

Е2 = Е3а„,

где К3- коэффициент зонда.

На практике измеряется не ЭДС Еъ а пропорциональная ей величина получаемого при индукционном каротаже сигнала:

Ес = С Е2,

где С - коэффициент пропорциональности. И далее получаем

ап = Е2/ К 3 = ЕС/ С - К3 = ЕС/ К с .

Здесь Кс - коэффициент для перехода от величины сигнала

кудельной электропроводности.

Т.к. среда, окружающая прибор, неоднородна (прослои пород разного сопротивления, промывочная жидкость с сопротивлением, отличающимся от сопротивления окружающей среды, наличие зоны проникновения), то замеренная величина электропроводно­ сти характеризует кажущуюся проводимость ск аналогично кажу­ щемуся удельному сопротивлению рк. В результате измерений ве­ личину сигнала Ес определяют следующим образом:

ок = 1 / рк= Ес/ Кс.

Величина коэффициента Кс выбирается с таким расчетом, чтобы в однородной среде ак соответствовала оп.

Удельная электрическая проводимость выражается в сименсах на метр (См/м). Сименс - проводимость проводника, имеющего сопротивление в 1 Ом.

Зонд индукционного каротажа обычно обозначается шифром, первый элемент которого - цифра - соответствует числу катушек зонда, второй - буква (Ф, И или Э) - обозначает тип зонда, третий элемент - число - соответствует длине зонда (расстоянию в метрах между серединами главных катушек).

Кривая кажущейся удельной проводимости, регистрируемая

в ИК, практически линейно отражает изменение проводимости среды. Она соответствует перевернутой кривой кажущихся сопро­ тивлений в практически гиперболическом масштабе сопротивле­ ний. Благодаря этому усиливается дифференциация кривой против пород, имеющих низкое удельное сопротивление, и происходит сглаживание ее против пород с высоким удельным сопротивлени­ ем (рис. 28).

Для получения более точных данных об удельной электриче­ ской проводимости пород в зонд ИК, кроме двух главных катушек, включают несколько дополнительных генераторных и измеритель­ ных катушек, называемых фокусирующими. Назначение дополни­ тельных катушек - в комплексе с главными уменьшить влияние про­ мывочной жидкости, зоны проникновения и вмещающих пород на величину кажущейся проводимости, а также увеличить глубинность исследования. Точкой, к которой относятся результаты измерения, является середина расстояния между главными (токовой и измери­ тельной) катушками (точка записи О на рис. 27).

Форма кривой и определение границ пластов при ИК зависят от характера токовых линий, образующих вокруг оси скважины замкну­ тые окружности, располагающиеся в плоскости, перпендикулярной к оси прибора. Влияние скважины на показания ИК в общем случае зависит от dc, рс и отношения р„ / рс. В случае высокоминерализован­ ной промывочной жидкости (рс < 1 Ом м) и достаточно высокого сопротивления удельных пород (рп / рс > 20) влияние скважины ста­ новится заметным и учитывается при интерпретации диаграмм ИК с помощью специальных палеток.

Влияние зоны проникновения на результаты ИК невелико при повышающем проникновении. Понижающее проникновение ока­ зывает значительное влияние, начиная с проникновения промы­ вочной жидкости на глубину, превышающую три диаметра сква­ жины (D > 3 dc).

Рис. 28. Расчленение разреза по диаграмме индукционного каротажа. Пласты удельного сопротивления: 1 - высокого; 2 - среднего; 3 - низко­ го. Точки на кривой И К соответствуют границам пластов

В индукционном каротаже, в отличие от других методов со­ противления, не требуется непосредственного контакта измери­ тельной установки с промывочной жидкостью. Это дает возмож­ ность применять ИК в тех случаях, когда используются непрово­ дящие промывочные жидкости (приготовленные на нефтяной ос­ нове), а также в сухих скважинах.

Благоприятные результаты получают при исследовании разрезов низкого и среднего сопротивлений и наличии повышающего проник­ новения фильтрата бурового раствора в пласт. По диаграмме ИК можно более точно определить удельное сопротивление низкоомных

водоносных коллекторов и положение ВНК. Применение ИК ограни­ чено при соленой промывочной жидкости и высоком удельном со­ противлении пород. ИК рекомендуется проводить в комплексе с дру­ гими методами сопротивлений, а также с методом ПС.

3.11. Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС)

Вскважине, заполненной глинистым раствором или водой,

ивокруг нее самопроизвольно возникают электрические поля, на­ званные самопроизвольной или собственной поляризацией (есте­ ственные потенциалы).

Происхождение таких потенциалов в скважине обусловлено

главным образом диффузионно-адсорбционными, фильтрационны­ ми и окислительно-восстановительными процессами, возникающи­ ми на границах пластов, различающихся по своим литологическим свойствам (в основном глинистости пород), и на контакте промы­ вочной жидкости в скважине и пластов, поры которых заполнены водой той или иной степени минерализации.

Измерение естественных потенциалов сводится к замеру раз­ ности потенциалов между электродом М, перемещаемым по сква­ жине, заполненной промывочной жидкостью (глинистым раство­ ром, водой), и электродом N, находящимся на поверхности вблизи устья скважины (рис. 29).

Потенциал электрода N практически сохраняется постоянным, и разность потенциалов между электродами М и N AUMN = UM - UN = = UM- const.

Разность потенциалов между перемещаемым электродом М

инеподвижным N указывает на изменение электрического потенциа­ ла вдоль скважины. Причиной этого является наличие в скважине

иоколо нее самопроизвольно возникающего электрического поля. Регистрируемая кривая естественных потенциалов (кривая

ПС) показывает изменение величины потенциала электрического поля у электрода М с глубиной. Точка записи AU относится к электроду М. Разность потенциалов ПС измеряется в милливоль­

тах (в мВ). Масштаб записи выражается числом милливольт на 1 см и выбирается с таким расчетом, чтобы амплитуды отклонений аномалий ПС находились в пределах 3-7,5 см.

Рис. 29. Схема измерения ПС:

1 - глина; 2 - песчаник; 3 - регистрирующий прибор

Обычно применяют масштабы 5, 10 и 12,5 мВ/см. Масштабы глубин устанавливаются в соответствии с масштабом, применяе­ мым для кривой КС, и в зависимости от детальности регистрации равны 1:500; 1:200, и в редком случае - 1:50.

Следует отметить, что кроме естественной разности потен­ циалов ПС, между электродами М и N в скважине возникает раз­ ность потенциалов, обусловленная токами помех различного про­ исхождения: поляризацией электродов, наличием блуждающих и переменных земных (теллурических) токов, помех, связанных с намагниченностью лебедки, гальванокоррозией грузов и др.

Измерение кривой ПС производится обычно одновременно с записью кривой КС стандартным градиентили потенциалзондом. Операция совместной регистрации кривых получила на­ звание стандартный электрический каротаж.

Форма и амплитуда отклонения кривой ПС зависят от раз­ личных факторов, влияющих на распределение силовых линий тока и падение потенциала в изучаемой среде - мощность пласта, диаметр скважины, сопротивления пласта, вмещающих пород, промывочной жидкости и пластовой воды, проникновения фильт­ рата глинистого раствора в пласт и др.

Величину амплитуды аномалий ПС Д£/пс отсчитывают от линии глин, называемой условно нулевой линией. Эта линия, которая обыч­ но является прямой, проводится против мощных пластов глин, в ко­ торых амплитуда кривой ПС близка к величине ЭДС Е„с, в тонких пластах - меньше Ет ; чем меньше мощность пласта, тем больше раз­ личие между этими величинами. Границы мощного пласта (h/ dc> 4) отмечаются в точках, соответствующих половине амплитуды откло­ нения кривой ПС; границы тонких пластов смещены относительно половинной амплитуды отклонения кривой ПС к максимальному от­ клонению, и выделение границ тонких пластов по кривой ПС затруд­ нено (рис. 30).

Песчано-глинистый разрез наиболее благоприятен для изучения его по кривой ПС. Пески, песчаники, алевриты и алевролиты легко отличаются по кривой ПС от глин. Песчано-алевритовые пласты отмечаются минимумами потенциала. С увеличением в песчаном пласте количества глинистого материала возрастает коэффициент диффузионно-адсорбционного потенциала, а следовательно, умень­ шается отклонение кривой ПС против него. Наибольшей адсорбци­ онной активностью (наибольшей дисперсностью) обладает гли­ нистый и лимонитовый цемент породы, значительно меньшей - карбонатный, и наименьшей —силикатный.

Против нефтегазоносных чистых песчано-алевритовых пластов отрицательная аномалия ПС обычно такая же, как и против водонос­ ных. Против глинистых коллекторов она несколько уменьшается.

Рис. 30. Кривые П С при различных соотношениях удельных электрических сопротивлений фильтрата промывочной жидкости рф и пластовой воды ре:

I - Рф > рв; II ~Рф<рв1 1 - глина; 2 - глина песчаная; 3 - песок; 4 - песок глинистый; 5 - песчаник; 6 - мергель; 7 - известняк; 8 - известняк глинистый

В карбонатном разрезе отрицательными аномалиями на кри­ вой ПС чаще всего отмечаются чистые (неглинистые) карбонатные пласты (известняки, доломиты), как крупно- и среднезернистые, так и мелкозернистые, в том числе малопористые и плотные.

Карбонатные пласты (мергели, глинистые известняки и доло­ миты), содержащие глинистый материал, сосредоточенный в порах или в рассеяном виде, по всей толще породы отмечаются малыми

отклонениями кривой ПС от линии глин. Расчленение разреза и вы­ деление границ пластов по кривой ПС в высокоомном разрезе затруднительно.

Метод ПС, до недавнего времени один из важнейших в ком­ плексе ГИС, широко применяется для установления границ пластов и их корреляции, расчленения разреза и выделения коллекторов.

3.12. Прочие электрометоды и комлексирование методов определения удельного сопротивления

Помимо вышеперечисленных электрометодов в практике ка­ ротажа скважин используется иногда метод вызванных потенциа­ лов, диэлектрический каротаж и прочие модификации методов сопротивления.

Метод вызванных потенциалов (ВП) предназначен для оценки свойств горных пород и основан на способности пород поляризо­ ваться при прохождении через них электрического тока. Чаще все­ го метод ВП находит применение для выделения угольных и рудных пластов.

Диэлектрический каротаж (ДК) - электромагнитный каротаж, основанный на измерении кажущейся диэлектрической проницае­ мости горных пород ек, которая численно равна диэлектрической проницаемости такой однородной непроводящей среды, показания которой равны показаниям в данной неоднородной среде с конеч­ ным сопротивлением.

Для сокращения времени производства геофизических работ применяют комплексирование электрометодов, когда одновремен­ но за один спуск-подъем измерения осуществляются несколькими различными зондами или методами.

ГЛАВА 4. РАДИОАКТИВНЫЙ КАРОТАЖ

Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизи­ рующих излучений (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактив­ ным каротажем (РК) [18, 19, 28, 31]. Наиболее широкое распро­ странение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма-каротаж, предназначенный для изучения естественного у- излучения горных пород; гамма-гамма-каротаж и нейтронный ка­ ротаж, основанный на эффекте взаимодействия с горной породой источников у-излучения и нейтронов (рис. 31).

Радиоактивностью называется способность неустойчивых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в более устойчивые ядра других элементов, испуская апьфа-бета-гамма- лучи и элементарные частицы (электроны, нейтроны, протоны, по­ зитроны и нуклоны). Радиоактивность атомных ядер, находящихся в естественных условиях, получила название естественной радиоак­ тивности, а радиоактивный распад атомных ядер при их бомбар­ дировке элементарными частицами (электронами, протонами, нейтронами, у-частицами и др.) - искусственной радиоактивно­ сти. Однако эти названия отражают лишь способ получения радио­ активного изотопа, а радиоактивность в обоих случаях определяется свойствами атомных ядер переходить из одного состояния в дру­ гое, более устойчивое, с иными физическими и химическими свой­ ствами. Процесс превращения одного изотопа химического эле­ мента в другой называется радиоактивным распадом, который обусловлен внутренним состоянием атомного ядра, поэтому на скорость радиоактивного распада не оказывает влияния темпера­ тура и давление, электрическое и магнитное поле, вид химиче­ ского соединения данного радиоактивного элемента и его агре­ гатное состояние.

Рис. 31. Схема установки радиоактивного карот ажа:

а - ГК; б - ГГК; в - НГК; г - Н К (НК-т или НК-н); д -А Г К ; 1 - стальной экран; 2 - свинцовый экран; 3 - параф ин (или другой мат ериал с высоким водородосодержанием); L - длина зонда; О - точка записи измерений; I - индикатор у-излучений; II - источник у-излучения; III - индикатор плотности нейтронов; IV - источник нейтронов

4.1. Гамма-каротаж (ГК)

Измерение интенсивности естественного у-излучения пород вдоль ствола скважины называется гамма-каротажем (ГК). Интен­ сивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют при помощи индикатора у-излучения, расположенного в глубинном приборе (рис. 31, а). В качестве индикатора используют счетчики Гейгера-Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики (рис. 32). Полученная в результа-

те замера кривая, характеризующая интенсивность у-излучения пла­ стов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой ГК (рис. 33).

8

Рис. 32. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика:

Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, вклю­ чает и так называемое фоновое излучение (фон), которое вызва­ но загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излуче­ нием. Влияние последнего резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается.

Благодаря статистическим флуктуациям - колебаниям интен­ сивности излучения вокруг некоторой средней величины в одних и тех же условиях - кривая ГК имеет отклонения, не связанные с изменением физических свойств пластов (погрешности изме­ рений). Погрешности, связанные с флуктуацией, тем больше, чем меньше импульсов, испускаемых в единицу времени (ско­ рость счета). В общем случае интенсивность у-излучения пла­ стов, вскрываемых скважиной, приблизительно пропорциональ­ на у-активности пород. Однако при одинаковой у-активности

породы с большей плотностью отмечаются меньшими показа­ ниями ГК из-за более интенсивного поглощения у-лучей. Пока­ зания ГК являются функцией не только радиоактивности и плотно­ сти пород, но и условий измерений в-скважине (диаметр сква­ жины, плотность промывочной жидкости и др.).

Влияние скважины на показания ГК проявляется в повыше­ нии интенсивности у-излучения за счет естественной радиоак­ тивности колонн, промывочной жидкости и цемента и в ослаб­ лении у-излучения горных пород вследствие поглощения у-лучей колонной, промывочной жидкостью и цементом. В связи с пре­ обладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении у-лучей горных по­ род. Это приводит к тому, что при выходе глубинного скважин­ ного снаряда из жидкости наблюдается увеличение у-излучения. При переходе его из необсаженной части скважины в обсажен­ ную отмечается снижение интенсивности естественных у-излу- чений, что вызывает смещение кривых и уменьшение диффе­ ренцированности диаграммы ГК. Такое же явление наблюдается при переходе глубинного прибора из одноколонной части сква­ жины в двухколонную.

Условно считают, что эффективный радиус действия уста­ новки гамма-каротажа (радиус сферы, из которой исходит 90 % излучений, воспринимаемых индикатором) соответствует при­ близительно 30 см; излучение от более удаленных участков по­ роды поглощается окружающей средой, не достигнув индикато­ ра. Увеличение dc из-за размыва стенки скважины и образования каверн (обычно в глинистых породах) сопровождается умень­ шением показаний ГК. Цементное кольцо в большинстве случа­ ев также влияет на величину регистрируемого у-излучения, уменьшая ее. Для определения у-активности пласта при количе­ ственной интерпретации данные гамма-каротажа приводятся к стандартным условиям.