- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГИС
- •Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
- •ОСНОВЫ ПЕТРОФИЗИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
- •КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
- •1.1. Пористость
- •1.3. Глинистость горных пород
- •1.4. Плотность горных пород
- •ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, РАДИОАКТИВНЫЕ, АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
- •2.1. Удельное электрическое сопротивление
- •2.5. Другие физические свойства горных пород
- •ЧАСТЬ ВТОРАЯ
- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАЗРЕЗОВ СКВАЖИН
- •ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
- •3.1. Основы теории потенциала электрического поля
- •3.2. Электропроводность и удельное электрическое сопротивление
- •3.3. Характеристика объекта исследования
- •3.10. Индукционный каротаж
- •4.2. Плотностной гамма-каротаж (ГГК)
- •6.3. Газовый и механический каротаж
- •6.4. Пластовая наклонометрия
- •ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
- •ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИСТОЛКОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ГИС
- •ГЛАВА 7. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ГИС
- •ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
- •РЕШЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ МЕТОДАМИ ГИС
- •9.1. Сущность и практическая значимость геологических наук при изучении месторождений полезных ископаемых
- •Литолого-стратиграфический разрез пермского соленосного комплекса по скв. 478 Уньвинского месторождения
- •10.1. Развитие, цели и задачи использования ЭВМ при интерпретации данных ГИС
- •10.3. Литолого-стратиграфическая интерпретация данных ГИС на ЭВМ и на персональных компьютерах
- •ЧАСТЬ ПЯТАЯ
- •11.1. Определение искривления скважин
- •12.1. Термометрия для контроля цементирования
- •ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
- •КУРСОВАЯ РАБОТА
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •Учебное издание
- •ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГИС
- •Учебное пособие
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАЗРЕЗОВ СКВАЖИН
Геофизические методы исследования скважин служат для по лучения геологической документации разрезов скважин, выявле ния и промышленной оценки полезных ископаемых, осуществле ния контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений, изучения технического состояния скважин и т. д. С этой целью по данным ГИС изучают в скважинных условиях физические свойст ва горных пород. Методы ГИС подразделяются на электрические, радиоактивные, акустические, магнитные, термические и т. п. Гео физические методы позволяют представить разрезы скважин ком плексом физических характеристик, таких как удельное электри ческое сопротивление, радиоактивность, теплопроводность изу чаемых сред, скорость распространения упругих волн в них и т. п. Основным документом для геологической службы является лито- лого-стратиграфическая колонка, полученная по результатам ин терпретации материалов ГИС и содержащая сведения о положении границ пластов и их толщинах, литологической характеристике каждого пласта, о наличии коллекторов, о характере флюида, за полняющего поровое пространство продуктивных пластов (нефть, газ, вода) и др. Окончательный результат геофизических исследова ний представляется не теми физическими свойствами, которые изу чаются методами ГИС, а такими параметрами, как пористость, про ницаемость, глинистость пород, коэффициент нефтегазонасыщения порового пространства. Оценка этих свойств и составляет один из важнейших этапов процесса интерпретации геофизических данных. Интерпретация, в свою очередь, может быть качественной, если, на пример, определяется литологический состав породы, и количествен ной, если оценивается количество содержащегося в породе того пли иного компонента (глины, нефти, газа и др.) [18,21, 31].
Методы ГИС используются также при контроле технического состояния скважин и при исследовании действующих скважин в процессе разработки нефтегазовых месторождений. За последнее время широкое распространение получила интерпретация данных ГИС с помощью ЭВМ.
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
Электрические и магнитные методы исследования разрезов скважин включают модификации, основанные на изучении элек тромагнитных полей различной природы в горных породах. Элек тромагнитные поля делятся на естественные и искусственные. Ес тественные поля в земной коре обусловлены электрохимическими процессами, магнитотеллурическими токами и другими природ ными явлениями. Искусственные электромагнитные поля создают ся в горных породах генераторами постоянного или переменного тока различной мощности и представляют собой непосредствен ный результат деятельности человека, направленный на изучение строения земной коры, поиски, разведку и разработку месторож дений [18, 28, 31, 40].
Классификация электрометодов исследования скважин (рис. 4) основана на характере происхождения изучаемого электромагнитно го поля и его изменении во времени - на частоте. По происхождению методы электрометрии делятся на две большие группы - естествен ного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте - на ме тоды постоянного, квазипостоянного и переменного поля. Среди ме тодов переменного поля различают низко- и высокочастотные.
Для изучения стационарных естественных электрических по лей применяются методы потенциалов собственной поляризации горных пород (ПС). Искусственные стационарные и квазистационарные электрические поля исследуются методами кажущегося сопротивления (КС), микрозондирования (М3), сопротивления за земления (БК и МБК), методами регистрации тока (ТМ) и потен
циалов вызванной поляризации (ВП). Искусственные переменные электромагнитные поля изучаются индукционными (ИК), диэлек трическими (ДМ) и радиоволновыми методами.
Рис. 4. Классификация электрических методов исследования скважин. Измеряемые величины: Unc - потенциал самопроизвольной поляризации; рк - кажущ ееся удельное сопротивление; ук - кажущаяся удельная про водимость; ек - кажущаяся диэлектрическая проницаемость
3.1. Основы теории потенциала электрического поля
Для определения удельного сопротивления горных пород в сква жине используется источник тока, создающий в окружающей среде электрическое поле. Допустим, что в неограниченную проводящую среду при помощи электродов А и В вводится ток, создающий в ней электрическое поле (рис. 5). Такое поле тождественно электрическо му полю зарядов электродов А и В, помещенных в непроводящую среду. Разница заключается лишь в том, что в электрическом поле заряды неподвижны, а в проводящей среде они находятся в движе нии, непрерывно возобновляясь источником тока.
+
Рис. 5. Схема ввода тока в неограниченную проводящую среду с помощью заземлений (электродов) А и В
Электрическое поле характеризуется напряженностью Е, кото рая является вектором, имеющим величину и направление. За едини цу напряженности электрического поля принимается вольт на метр (В/м), т. е. напряженность электрического поля, при котором между точками, находящимися на расстоянии 1 м, вдоль линии напряженно сти поля (отражающей ее направление) создается разность потенциа лов 1 В. Под линией напряженности, называемой чаще силовой ли нией, подразумевают такую линию, в каждой точке которой вектор напряженности направлен по касательной к ней. Силовые линии со ответствуют путям, вдоль которых должен был бы двигаться поло жительный заряд. При помощи этих линий можно наглядно изобра зить силовое поле; при этом густота его линий выбирается пропор ционально напряженности.
Работа, совершаемая силами электрического поля при переме щении единичного положительного заряда из некоторой точки в бес конечно удаленную, численно равна электрическому потенциалу данной точки (с обратным знаком). Потенциал есть величина скаляр ная и в каждой точке поля имеет вполне определенное значение, по этому может служить характеристикой поля наравне с напряженно стью Е. За единицу электрического потенциала принимается вольт
(В) - разность потенциалов между двумя точками при постоянном токе силой 1 А, в котором затрачивается мощность 1 Вт.
Потенциал электрического поля представляет собой функ цию, которая изменяется от точки, к точке и убывает в направле нии хода силовой линии. В каждом реальном случае можно выде лить совокупность точек, потенциалы которых одинаковы. Гео метрическое место точек постоянного потенциала называют эквипотенциальной поверхностью. Если путь перемещения заряда замкнут по эквипотенциальной поверхности, то работа электриче ских сил равна нулю. Известно, что потенциал точечного заряда е в точке, отстоящей от него на расстоянии г,
U = е / г = Е г.
Следовательно, эквипотенциальная поверхность с постоянным зна чением г есть сфера с центром в точечном заряде (рис. 6). Между напря женностью поля Е и потенциалом U имеется определенная связь.
Рис. 6. Эквипотенциальные поверхности (пунктирные линии)
исиловые линии (сплошные):
а— точечный заряд; б — два разноименных численно равных заряда;
в- два точечных одноименных заряда
Существование такой связи следует из того, что работу элек трических сил можно выразить через напряженность и разность потенциалов точек поля.
Рассмотрим однородное электрическое поле напряженно стью Е (рис. 7, а).
Рис. 7. Однородное электрическое поле напряженностью Е (а) и элементарный объем среды (б) с удельным сопротивлением р, длиной dr и сечением dS.
Аг - расст ояние между эквипотенциальными поверхностями Ui и U2
Расстояние Дг между эквипотенциальными поверхностями U\
иU2 бесконечно мало, следовательно, на всем расстоянии между ними можно считать напряженность поля постоянной. Работа пе ремещения единичного заряда е на пути dr равна Edr. Эта же ра бота может быть выражена через разность потенциалов начала Ui
иконца Ui с обратным знаком:
U2- U x = - £ • dr.
В неоднородном поле силовые линии не будут прямолиней ными, а эквипотенциальные поверхности будут иметь сложную форму. Однако для бесконечно малых участков пространства мож но пренебречь кривизной силовых линий и эквипотенциальных поверхностей и на основании предыдущих рассуждений записать:
dU = -E d r; E = -d U /d r .
Знак минус указывает, что напряженность Е направлена в ту сторону, в которую действует сила на положительный заряд, т. е. в сторону убывания потенциала.
Величина dU / dr, характеризующая быстроту изменения по тенциала при перемещении в направлении, перпендикулярном к эквипотенциальным поверхностям в сторону его увеличения, называется градиентом потенциала и обозначается grad U. Как видно из формулы, напряженность поля - это градиент потенциала с обратным знаком, т. е.
Е = -grad U.
Сила тока / представляет собой физическую величину, изме ряемую количеством электричества, перенесенного через данную площадку за единицу времени, независимо от того, в каком направ лении и под каким углом к площадке движутся частицы, несущие заряды.
Для учета направления переноса зарядов вводится в рассмот рение вектор плотности тока j, который направлен в сторону поло жительных зарядов, т. е. в направлении вектора напряженности Е. Под плотностью тока понимается количество электричества, про текающее в единицу времени через единичную площадку, перпен дикулярную к направлению тока.
Если ток / равномерно распределен по площади S, перпенди кулярной к его направлению, то величина плотности тока
j= us
Вобщем случае плотность тока определяется отношением силы тока d/, протекающей через перпендикулярный к направле нию тока элемент сечения среды, к площади dS этого элемента:
j = d //d S
Распределение электрического поля в пространстве удовле творяет двум основным законам: Ома и Кирхгофа, выраженным в дифференциальной форме. Для пояснения закона Ома выде лим элементарный объем (рис. 7, б) среды с удельным сопро тивлением р, длиной dг и сечением dS; через сечение dS и пер пендикулярно к нему проходит ток d/, образуя на концах падение потенциала d(/. Сопротивление элементарного объема dR = р (dr / dS), а падение потенциала на его концах Д dU = d/ • dr / dS или dl / dS = = -1 / p d U /d r
j = Е / р .
Закон Ома в дифференциальной форме выражается так: плот ность тока в каждой точке проводника равняется напряженности электрического поля в этой точке, деленной на удельное сопро тивление вещества.
Физическая сущность первого закона Кирхгофа в дифферен циальной форме заключается в том, что если какой-либо элемент объема не содержит источников, то сила тока, втекающего в этот объем, равна силе тока, вытекающего из него. Этим выражается непрерывность потока токовых линий через любую замкнутую поверхность, не содержащую дополнительных источников тока. Если считать, что входящие и выходящие из данного объема токи имеют разные знаки, то алгебраическая сумма их равна нулю, т. е. эти токи по величине равны. Невыполнение этого условия привело бы к накоплению электрических зарядов в некоторых точках, что исключается.
Закон Кирхгофа в дифференциальной форме записывается в виде следующего уравнения:
div 7 = 0.
Рассмотрим электрическое поле в однородной изотропной среде. Предположим, что имеется такая среда с удельным сопро тивлением р. Введем в нее электрод А, из которого вытекает ток силой /. Допустим, что размеры электрода А малы и его можно рассматривать как точечный, а второй электрод удален (теорети чески в бесконечность) и не оказывает влияния на электрическое поле вблизи электрода А. При этих условиях линии тока, исходя щие из точки А , будут прямыми, а эквипотенциальные поверхно сти - концентрическими сферами с центром в точке А. В пересече нии с плоскостью чертежа эти сферы дают окружность с центром в точке А (рис. 8).
Определим потенциал в точке М, расположенной на расстоя нии г от источника тока А. Плотность тока у в точке М
j= I / 4 л г2,
т.к., если Е = AdU /dr - j р, то AdU / dr = л • / / 4л г2. Отсюда потенциал в точке М
UM= - |
p/dr |
р/ + С. |
|
4лг |
4лг |
Т. к. потенциал в бесконечности равен нулю, т. е. при г = оо, U = 0, то постоянная интегрирования С = 0. Тогда выражение по тенциала в точке М, созданного точечным электродом А, через который протекает ток I, в однородной изотропной среде с удель ным сопротивлением р примет вид
У м - р / / 4 л г .
Легко видеть, что если поменять местами точки А и М, т. е. источник тока поместить в точку М и определять потенциал в точ ке А, то его величина выражается с помощью этого же уравнения. Это положение справедливо и для неоднородной среды, оно нахо дит важное практическое применение в электрическом каротаже и известно под названием принципа взаимности.
Так, например, если через токовые электроды А и В четырех электродной установки AMNB пропускать ток, то при помощи из мерительных электродов М и N можно регистрировать разность потенциалов AU между двумя точками этого электрического поля.
Подставляя в формулу вместо г величины AM или AN, полу чаем потенциал в точке М:
UM = р • / /4 п А М
и потенциал в точке N:
UN = р • / / 4 л AN
Если считать электроды зонда точечными, то разность потен циалов между его измерительными электродами М и N
AU = UM- U N= p - l / 4 л |
1 |
1 |
= p • 1 /4 n (A N -A M ) |
|
AM |
AN |
AM AN |
где AN - AM =MN. |
|
|
|
Тогда
MJ =
r p/ _ M N _ ' ^4 n AM-AN, '
По этой формуле можно вычислить удельное сопротивление однородной среды:
_ AU_ An AM -AN
9 ~ I MN
Все величины, входящие в правую часть формулы, можно из мерить и таким образом определить величину удельного сопро тивления среды, что и является целью электрического каротажа по методу сопротивлений.
При каротаже разность потенциалов выражается в тысяч ных долях вольта - милливольтах (мВ), сила тока - в тысячных долях ампера - миллиамперах (мА), а расстояния MN, AM и AN -
вметрах (м), при этом удельное сопротивление будет выражено
вомметрах (Ом • м).
Приведем последнюю формулу к виду, в котором она обычно применяется в практике электрического каротажа. Для этого пола-