Электрокар
.docЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ
Методы сопротивлений
Метод сопротивлений (КС) позволяет получить сведения об удельном электрическом сопротивлении горных пород, пройденных скважиной, и решить ряд геологических задач. Измерения по методу сопротивлений проводят с помощью четырехэлектродной установки AMNB, включающей четыре электрода — заземления. Два электрода, обозначаемые буквами А и В, подключают к источнику тока. Они являются источниками электрического поля в среде и называются питающими, или токовыми, электродами. Два других электрода М и N называют измерительными и используют для измерения разности потенциалов между точками среды, в которых они расположены. При каротаже в скважину опускают три электрода, а четвертый устанавливают на поверхности. Возможны две схемы измерения по методу сопротивлений: в первом случае в скважине находятся два токовых электрода и один измерительный, во втором — один токовый и два измерительных.
Электроды в скважине образуют зонд метода сопротивлений – обычный зонд КС. При каротаже обычными зондами электроды имеют размеры существенно меньшие по сравнению с расстояниями между ними. Это позволяет рассматривать их как точечные заземления, расположенные на одной прямой. Вид электродов зонда и расстояния между ними определяются целевым назначением работ.
Рис. 1. Схемы измерения по методу сопротивлений обычными зондами КС:
а - однополюсным,
б - двухполюсным.
Кажущееся удельное сопротивление — функция многих величин: типа и размеров зонда, которым проведено измерение, характера распределения удельных сопротивлений и мощности пластов, особенностей геологического разреза. Результаты измерений представляют в виде кривой, показывающей изменение КС с глубиной скважины (кривая КС). Масштаб записи кривой выбирается исходя из диапазона изменения величин и удобства отсчета.
В соответствии с универсальным принципом взаимности измерения при прочих равных условиях по схемам, показанным на рис.1, дают одинаковые результаты. Зонд с одним токовым электродом (однополюсный) принципиально не отличается от зонда с двумя токовыми электродами (двухполюсного). Двухполюсные и однополюсные зонды эквивалентны. На практике используют оба, но расчеты удобнее вести для однополюсных зондов.
В каротаже методом сопротивлений применяют два типа зондов:
-
Потенциал - зонд - зонд, у которого расстояние между разноименными электродами существенно меньше расстояния между одноименными (раздвинуты парные электроды, т. е. сближены непарные — А и М). В этом случае КС определяется потенциалом электрического поля в точке М, и характерное для зонда расстояние - расстояние AM, которое называется длиной потенциал-зонда, L=AM. Результаты измерений относят к середине расстояния AM. Практически, кроме случая очень больших сопротивлений пластов, когда отношение AN/AM > (5 ÷ 10), результаты измерений мало отличаются от результатов измерений с предельным (идеальным) потенциал-зондом, для которого АМ → ∞.
-
Градиент-зонд - зонд со сближенными парными электродами, расстояние между которыми (АВ, ММ) существенно меньше расстояния между разноименными электродами. Кажущееся сопротивление в этом случае определяется напряженностью поля Ео в точке О, и характерное для зонда расстояние - расстояние АО, называемое длиной градиент-зонда, L=AO. Результаты измерений относят к середине расстояния МN. Практически, когда отношение MN/A0 > 5, результаты измерений мало отличаются от результатов измерений с предельным (идеальным) градиент-зондом, для которого MN → 0.
Измерение КС во всех скважинах одного района, месторождения необходимо проводить по крайней мере одним стандартным зондом. В качестве стандартных принимают обычно в рудных районах потенциал-зонды длиной 0,1; 0,2; 0,4 м или градиент-зонды длиной 0,5; 1, редко 2 м.
Боковое каротажное зондирование (БКЗ). Кажущееся удельное сопротивление (КС), измеряемое в методе сопротивлений, зависит от типа и размеров зонда, влияния скважины, мощности и удельных сопротивлений пластов, характера изменения удельного сопротивления в зоне проникновения раствора и др. В этих условиях одной кривой КС для суждения о геологическом разрезе недостаточно. При детальных исследованиях скважин применяется БКЗ, заключающееся в проведении измерений несколькими зондами разной длины. При изменении длины зонда изменяются радиус и детальность исследований. Показания зондов малой длины в основном определяются ближними участками среды, показания зондов большой длины связаны с влиянием удаленных пород. Обычно комплекс измерений БКЗ включает регистрацию кривых КС четырьмя-пятью градиент-зондами одного типа (кровельными или подошвенными), длины которых изменяются от равных диаметру скважин до в 30 раз больших. Обычно каждый последующий зонд имеет длину в 2 раза большую длины предшествующего. Дополнительно в комплекс БКЗ входят измерения потенциал-зондом, измерения диаметра скважин, удельного сопротивления бурового раствора и др. Материалы БКЗ после соответствующей обработки позволяют получить в благоприятных условиях более полные данные об удельном сопротивлении пород.
Из анализа палеток БК.З следует, что потенциал-зонды имеют большую радиальную глубину исследования по сравнению с градиент-зондами.
Для градиент-зондов характерны несимметричные формы кривых КС, имеются характерные точки максимумов или минимумов, соответствующие положению границ пласта и позволяющие уверенно определять его мощность. Кривые КС полученные потенциал-зондами, имеют симметричные сглаженные формы. Пласты высокого сопротивления малой мощности на кривых практически не отмечаются. Границам пласта соответствуют точки начала крутого подъема кривых.
Изучение форм кривых КС позволило установить, характерные значения сопротивления для пластов конечной мощности. Используют следующие характерные значения КС: максимальное сопротивление для пластов, удельное сопротивление которых больше сопротивления вмещающих пород; минимальное - для пластов, удельное сопротивление которых меньше сопротивления вмещающих пород; среднее сопротивление, соответствующее отношению площади, заключенной между кривой сопротивления и нулевой линией на участке против пласта, к мощности пласта.
Боковой каротаж. Метод бокового каротажа позволяет получить сведения об удельном электрическом сопротивлении пород и является разновидностью электрического каротажа методом сопротивлений. При боковом каротаже измерения проводят при непрерывном автоматическом управлении характером растекания зондирующего тока - фокусировке тока. Управление током выполняется так, чтобы обеспечить преимущественно его радиальное, перпендикулярное к оси скважины направление. При радиальной фокусировке снижается влияние скважины, повышается глубинность исследования и улучшается вертикальное разрешение записи.
Применяется несколько разновидностей бокового каротажа, отличающихся как видами зондов, так и способами регулировки и измерения. При боковом каротаже применяют многоэлектродные зонды с точечными электродами (семь, девять электродов) и зонды с цилиндрическими протяженными электродами — трех- и пятиэлектродные зонды. Применяют также зонды микробокового каротажа, когда электроды размещены на башмаке, прижимаемом к стенке скважины.
Рис.2. Схемы измерений с зондами бокового каротажа:
а) семиэлектродный зонд;
б) трехэлектродный зонд
Схемы измерений с различными зондами бокового каротажа приведены на рис.2. Зонд семиэлектродного бокового каротажа (рис.2а) включает центральный электрод Ао и три пары симметрично расположенных и попарно закороченных электродов: М1 и М2, N1 и N2, A1 и А2. Электрод Ао питается от генератора G переменным током Io, постоянным по амплитуде. Электроды А1 и А2 называются экранными, через них с помощью автокомпенсатора АК пропускается экранный ток Iэ, совпадающий по фазе с током Io и автоматически регулируемый так, чтобы напряжение между электродами М1 и N1 (М2 и N2) было близко к нулю. Автокомпенсатор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления и мощным выходом. На вход АК подается напряжение между электродами М1 и N1, выход подключен к экранным электродам и заземлению в бесконечности.
При появлении между электродами M1 и N1 напряжения, ток на выходе автокомпенсатора изменяется так, чтобы это напряжение было скомпенсировано. Благодаря большому коэффициенту усиления напряжение между электродами М1 и N1 оказывается отличным от нуля на небольшую величиину, что не приводит к заметной погрешности в результатах. Автоматическое поддержание разности потенциалов между электродами M1 и N1 (М2 и N2), близкой к нулю, обеспечивает фокусировку, при которой ток центрального электрода Ао растекается в радиальном направлении в виде слоя толщиной L, равной расстоянию между средними точками интервалов M1 - N1 и M2 - N2. Во время выполнения условий фокусировки с помощью прибора ΔVБК регистрируется разность потенциалов между одним из измерительных электродов (Mi или Ni) и достаточно удаленным от зонда электродом N. Результаты измерений относят к точке Ао. Расстояние между серединами интервалов измерительных электродов называют длиной зонда L. Характерным для зонда является также параметр фокусировки q = (Lo6 - L)/L, где Lоб - расстояние между экранными электродами зонда А1 и А2.
Схема измерений с трехэлектродным зондом бокового каротажа приведена на рис.2б. Трехэлектродный зонд БК состоит из трех цилиндрических электродов, центрального Ао и двух экранных А1 и А2. Промежутки между электродами делают возможно меньшими (5 мм). Длина центрального электрода Ао выбирается небольшой, обычно от 2 до 17 см, она определяет вертикальную разрешенность записи и называется длиной L трехэлектродного зонда БК. Экранные электроды Ах и А2 имеют длину, во много раз превышающую длину зонда L, общая длина системы достигает 3 м. Экранные электроды А1 и А2 соединены между собой накоротко, и к ним присоединен центральный электрод Ао через небольшой резистор Rо. Трехэлектродный зонд А1АоА2 питается током от генератора G. Резистор Ro берется такой величины, чтобы потенциал центрального электрода мало отличался от потенциала всей системы. В этом случае ток центрального электрода Iо растекается в радиальном направлении в слое толщиной L, т. е. обеспечивается радиальная фокусировка. Регистрируются ток центрального электрода Io путем измерения падения напряжения на резисторе Ro и разность потенциалов ΔVБК между системой электродов и удаленным электродом N. При измерениях разность потенциалов между системой электродов и удаленным электродом и падение напряжения ΔVБК на резисторы R через усилители У1 и У2 подаются на делительное устройство, к выходу которого подсоединены регистраторы.
Для пласта ограниченной мощности высокого сопротивления форма кривой сопротивления — симметричный максимум. Границы пласта определяются по точкам начала крутого подъема кривой. На кривых семиэлектродного зонда границы пласта отмечаются выше и ниже участков с максимальным градиентом ρк на половину длины зонда. Характерное значение ρк на кривых БК отсчитывается против середины пласта. Для проводящей скважины ρс<0,2 Ом • м при мощности пласта, превышающей длину зонда, и отсутствии проникновения, ρк против середины пласта можно принять за его удельное сопротивление.
Метод скользящих контактов. Для исследования рудных скважин применяется метод скользящих контактов (МСК), в котором регистрируется изменение сопротивления заземления щеточного электрода, скользящего по стенке скважины. Щеточный электрод устроен аналогично электроду М метода электродных потенциалов (рис.3б).
Регистрация изменения сопротивления заземления ведется по схеме измерения тока в цепи из двух электродов — щеточного в скважине и заземления на поверхности. При движении щеточного электрода по пустым породам ток в цепи мал. При соприкосновении электрода с хорошо проводящим рудным телом сопротивление заземления резко надает и ток увеличивается. МСК позволяет в благоприятных случаях (ровная стенка скважины) отметить в разрезе наличие маломощных рудных прослоев (1 - 2 см).
Потенциальные методы
Метод потенциалов самопроизвольной поляризации. В скважине, заполненной буровым раствором, и окружающих ее породах вследствие процессов диффузии, фильтрации и окислительно-восстановительных химических реакций возникают естественные электрические поля (токи). Это явление получило название самопроизвольной поляризации. Характер таких электрических токов тесно связан с литологическими особенностями пройденных скважиной горных пород. Разность потенциалов естественного поля между электродами М и N обозначают сокращенно ПС.
При измерениях, когда оба электрода находятся в скважине на небольшом расстоянии (0,1 - 1 м) друг от друга, регистрируется усредненная на некотором интервале компонента градиента потенциала электрического поля ПС. Получаемая кривая называется кривой градиента ПС. В качестве электродов используются отрезки свинцового провода, навитые на кабель. При слабых аномалиях ПС используют неполяризующиеся электроды, обычно из хлорированного свинца, помещенного в брезентовый чехол, набитый кристаллической солью КСl. Неполяризующиеся электроды обладают наиболее устойчивой электродной разностью потенциалов, мало меняющейся в процессе измерения.
Изменение потенциала ПС вдоль скважин обычно имеет характер симметричного минимума или максимума, которым и отмечается тот или иной пласт. Такому характеру изменения потенциала ПС соответствуют токи ПС в виде замкнутых кольцевых линий вокруг места пересечения цилиндра скважины с поверхностями, ограничивающими пласт. Появление токов ПС обязано возникновению соответствующих э.д.с, в простейшем случае в форме двойных электрических слоев на границах раздела.
Процессы диффузии идут на контакте бурового раствора и пластовых вод, отличающихся друг от друга по концентрации растворенных в них солей. В скважине процессы диффузии солей между буровым раствором и пластовыми водами происходят в поровом пространстве горных пород в присутствии двойных электрических слоев на границах твердой и жидкой фаз. Двойные слои связаны с процессами адсорбции ионов твердой фазой и их влияние тем больше, чем более дисперсна твердая фаза. Наибольшее влияние на процессы диффузии оказывает глинистый материал. В глинистых породах коэффициент диффузионного потенциала меняет не только величиину, но и знак. Токи ПС диффузионного происхождения возникают в скважинах при наличии двух предпосылок: присутствии контакта различных по литологическим особенностям (относительной глинистости) пород; разнице в минерализации пластовой воды и бурового раствора.
Другая возможная причина образования ПС — процессы фильтрации. Обычно при бурении давление в скважине больше, чем давление в пласте. Под действием избыточного давления происходит фильтрация воды глинистого раствора в проницаемые пласты. Поскольку на поверхностях капилляров горной породы присутствует двойной электрический слой, при фильтрации происходит движение ионов внешней части двойного слоя и возникает потенциал фильтрации. При фильтрации в пласт он отмечается отрицательной аномалией ПС. При снижении удельного сопротивления жидкости фильтрационная ПС уменьшается. При образовании глинистой корки на стенке скважины фильтрационные потенциалы также снижаются. Фильтрационные потенциалы обычно малы и не играют существенной роли в образовании ПС.
Окислительно-восстановительные потенциалы ПС наблюдаются в сульфидных рудах, ископаемых углях и породах, содержащих оксиды металлов.
Рис.3. Схема измерений (а); зонд МЭП и МСК (б).
Метод электродных потенциалов. В разрезах скважин могут быть встречены образования, обладающие электронной проводимостью (сульфидные руды, графитизированные породы). На контакте этих образований с вмещающими породами и буровым раствором возникает электродная разность потенциалов, которая измеряется в методе электродных потенциалов (МЭП).
Схема измерений и зонд МЭП приведены на рис.3. Зонд МЭП помещается в корпус 1 из изоляционного материала, снабженный двумя центрирующими фонарями 2. На корпусе размещены щеточный электрод М, скользящий по стенке скважины, и электрод сравнения N, состоящий из двух соединенных между собой частей, которые не касаются стенок скважины. Электроды М и N изготавливаются из металла (цинка), электродный потенциал которого значительно отличается от электродного потенциала рудного тела.
В методе электродных потенциалов с помощью милливольтметра ΔVМЭП регистрируется разность потенциалов между щеточным электродом М и электродом сравнения N. При движении зонда по пустым породам разность потенциалов мала. При соприкосновении щеточного электрода с рудным телом электрод М воспринимает электродный потенциал этого тела. Поскольку потенциал рудного тела значительно отличается от электродного потенциала электрода N, регистрируемая разность, потенциалов увеличивается, достигая нескольких сотен милливольт.
Метод погруженных электродов. В этом методе на земной поверхности измеряется градиент потенциала в поле погруженного в скважину электрода (односкважинный вариант) или двух разнополярных погруженных электродов (двухскважинный вариант). В первом варианте преимущественно используют систему профилей, ориентированных по простиранию искомых объектов, во втором - профили измерений параллельны плоскости, в которой лежат питающие электроды, однако желательно, чтобы скважины были расположены по простиранию. За счет такого расположении профилей наблюдений обеспечивается фиксация наиболее интенсивных аномалий, соответствующих вытянутым проводникам. При поисках изометричных проводников односкважинный вариант может выполняться по системе радиальных, относительно эпицентра погруженного электрода, профилей.
В поле погруженного электрода на не очень больших расстояниях от него максимум плотности тока приблизительно находится на глубине погружения. В горизонтальном направлении максимум перемещается к поверхности земли, особенно в случае приповерхностного проводящего слоя. Заметное преимущество погруженного электрода перед поверхностным сохраняется приблизительно в радиусе, равном глубине погружения. Однако за счет глубинных проводников, в том числе проводящих зон, связывающих питающий электрод с объектом поисков, эффективная область погруженного электрода может существенно расшириться. При использовании двухскважинного варианта расстояние между зарядными скважинами не должно превышать 2,5—3 глубин погружения электродов, так как в противном случае усложняется вид нормального поля и выделение аномалий затрудняется.
Таким образом, для изучения объекта, расположенного вблизи зарядной скважины, оптимальная глубина погружения электрода примерно должна соответствовать глубине центра объекта, а при удалении последнего увеличивается. При этом уменьшение глубины погружения электрода против оптимальной снижает интенсивность аномалии сильнее, чем завышение глубины. Поэтому при поисках глубокозалегающих проводящих объектов питающий электрод следует помещать на забое зарядной скважины. В глубоких скважинах наблюдения целесообразно выполнять при нескольких положениях питающего электрода, отличающихся по глубине на 150—250 м.