Модуль 2. Геофізичні методи досліджень свердловин

Лекція 4 Електрична розвідка

1. Питомий електричний опір гірських порід

2. Умовний (позірний) опір гірських порід.

3. Принцип вимірювання питомого електричного опору.

Типи зондів, які застосовуються

4. Вибір оптимальних зондів

1.Питомий електричний опір гірських порід.

Відповідно до закону Ома опір однорідного провідника постійного поперечного перерізу площею і довжиноюдорівнює:

, (5.1)

де - коефіцієнт, який має назву – питомий електричний опір речовини провідника.

При електричному каротажі за методом опору вивчають питомий опір гірських порід.

За величину питомого опору гірської породи приймають опір об’єму породи, який має форму куба з поперечним перерізом 1 м²і висотою 1 м. Коли визначити опір провідника в омах, довжину – в метрах, а переріз у квадратних метрах, маємо питомий опір:

ом м (5.2)

Питомий опір гірських порід змінюється у діапазоні від часток до десятків і сотень омметрів. Така велика різниця гірських порід за питомим опором є зручною для вивчення властивостей порід за даними електричного каротажу. Кам’яна сіль має =5х10¹⁴ ом м; кам’яне вугілля=10 ⁴ ом м; графіт=10 ^–4 ом м.

Гірські породи в природному заляганні крім мінеральних частинок мають у порах водні розчини солей. Тому електрична провідність (зворотна опору) буває двох видів електронна (металічна) і іонна (електролітична).

При електроннійпровідності струмомє потік електронів (негативно заряджених частинок). Приіоннійпровідності у розчині іони пересуваються до відповідних електродів – катоду і аноду.

Іонна провідність для більшості гірських порід і особливо для порід осадового комплексу є переважною. Це тому, що більшість мінералів, з яких складаються гірські породи, є діелектрики і проводять струм завдяки наявності у порах мінералізованої води (електроліту).

На електропровідність води значний вплив має кількість розчинених у неї солей. Дистильована вода має питомий опір 20х10⁴ ом м, при мінералізації води у 1 г/л– 5,54 ом м, при 250 г/л –0,049 ом м. Окрім мінералізації на електропровідність мають вплив хімічний склад солейNa,K,Ca,Mg(за цим рядом опір знижується) і температура розчину.

У пластових водах нафтових і газових родовищ від 70 до 95% загальної кількості розчинених солей складає хлористий натрій (NaCl). Тому, при визначеннях опору пластових вод для приблизних розрахунків приймають, що у розчині присутній тільки хлористий натрій.

Опір водних розчинів знижується при збільшенні температури. Це пояснюється збільшенням рухомості іонів при зменшенні в’язкості розчину.

При невеликому діапазоні зміни температури користуються спрощеною формулою:

, (5.3)

де - середнє значення температурного коефіцієнту електропровідності при зміні температури на 1⁰С, для електролітуNaClдорівнює 0,0236;

 і ₁ – питомі опори розчину при температурахt i t₁ом м.

Вище було сказано, що питомий опір гірських порід знаходиться в залежності від мінералізації порової води. Так піски, насичені мінералізованою водою, мають опір лише кілька десятих омметру, а насичені прісною водою – десятки і навіть сотні омметрів.

Опір гірських порід також залежить від температури, з її підвищенням на 1⁰С опір зменшується на 2...3%. Тобто, зі збільшенням глибини при усіх рівних умовах опір порід зменшується.

У шаруватих гірських породах опір у напрямку нашарування _ІІменший ніж у перпендикулярному напрямку_. Такі породи звутьанізотропними.

Розміри частинок, які складають гірську породу, також впливають на величину питомого опору. У тонкодисперсних породах (глинах, алевритах) спостерігається порушення пропорційності між опорами породи і пластової води. Питомий опір глин насичених мінералізованою водою буде більшим ніж пісків такої ж пористості насичених водою такої ж мінералізації.

На питомий опір гірських порід _гмає вплив пористість породи і форма порового простору. Для вивчення цього явища для виключення впливу опору пластової води_wcлід розглядати відносний опір породи:

, (5.4)

Відносний опір залежить від кількості води в одиниці об’єму породи і розподілу її у породі. Так як кількість води у породі визначається коефіцієнтом пористості, а розподіл по породі – структурою порового простору, то можна стверджувати, що відносний опір залежить від пористості породи і форми порового простору:

, (5.5)

де F– коефіцієнт, який залежить тільки від пористості,

q_c– структурний коефіцієнт, який залежить від форми порового простору.

Впливом структури порового простору слід вважати той факт, що відносний опір міцних (зцементованих) порід значно вищий ніж пухких (піщаних, глинистих, пухких пісковиків тощо) при однаковому значенні пористості. У зцементованих породах якась частина порового простору ізольована від загальної об’єму.

Відомо, що нафта і газ не є провідниками електричного струму. Отож, аби нафтогазоносні породи не містили води, яка обволочує мінеральні частинки, то вони не проводили б електричний струм, тобто їх опір був би надто великим.

Нафта і газ приблизно однаково впливають на опір породи, тому по питомому електричному опору неможливо визначити які це пласти – нафтові чи газові. Далі їх слід називати нафтогазовими. Питомий опір нафтогазоносного пласту залежить від процентного вмісту у порах нафти чи газу (коефіцієнту нафтогазонасичення), води, мінералізації пластових вод, пористості породи, структури пористого простору тощо. Тобто опір продуктивного пласту не свідчить про ступінь його насиченістінафтою чи газом. При однаковій насиченості – різні породи і навпаки.

Для виключення різних факторів (мінералізації пластових вод, пористості і структури пластового простору) замість питомого опору нафтогазоносних порід розглядають відношення опору нафтогазоносного пласту _оg (усі пори заповнені нафтою чи газом) до опору того ж пласту, пори якого повністю заповнені водою такої мінералізації_w:

, (5.6)

Це відношення називають коефіцієнтом збільшення опору,

де Q – безрозмірний коефіцієнт, який показує у скільки разів збільшується питомий опір водоносного колектору при частковому насиченні об’єму його пор нафтою чи газом. ВеличинаQрізко зростає при насиченні пласта нафтою до 80% і більше.

Між коефіцієнтом збільшення питомого опору Qі коефіцієнтом водонасиченняk_wіснує зворотна ступенева залежність:

, (5.7)

де k_w– коефіцієнт водонасичення як відношення об’єму пор, заповнених водою до загального об’єму порового простору.

Аналогічно до цього коефіцієнт нафтогазонасиченості k_оg дорівнює відношенню об’єму пор, заповнених газом чи нафтою до загального об’єму порового простору.

Коли вважати, що загальний об’єм пор дорівнює одиниці, то k_w+k_оg = 1, тоді можна записати:

, (5.8)

Величина коефіцієнта Qзалежить від ступеню нафтогазонасиченості пласту і характеру розподілу у ньому води.

2. Умовний (позірний) опір гірських порід.

У свердловині проводять вимірювання з чотирьох електродною установкою AMNB, один з електродів якої (В або N) заземляють на поверхні у гирла свердловини і його дією нехтують (риба). Інші 3 електроди переміщають по свердловині із збереженням незмінної відстані між ними і називають зондовою установкою або просто зондом ПО.

Наприклад, у нас на поверхні заземлений електрод В. Токовий електрод А в першому наближенні можна прийняти за точкове джерело, розташоване в однорідному середовищі. Струмові лінії розходяться від нього радіально, а еквіпотенціальні (рівними потенціалами)поверхні мають сферичну форму. Як відомо з курсу фізики, потенціал поля точкового джерела струму І на відстані r від нього в однорідному і ізотропному середовищі з опором ρ рівний:

(5.9)

Звідси витікає, що, змірявши силу струму I, що стікає з електроду А і різницю потенціалів ∆U_MN між вимірювальними електродами М і N, можна обчислити опір середовища:

(5.10)

Неважко побачити, що множник, що стоїть перед відношенням ∆U/I, є величина постійна для даної зондодової установки і називається коефіцієнтом зонда КС:

(5.11)

Для випадку, коли на поверхні заземлений електрод N, а не електрод В, можна набути значення

(5.12)

Неважко бачити, що при незмінній відстані між електродами і при зміні тільки їх призначення, чисельна величина коефіцієнта К не змінюється. Це означає, що до вимірювань опору в свердловинах застосуємо принцип взаємності (принцип суперпозиції), який говорить, що результат вимірювання опору середовища не змінюється при зміні призначення приймальних і живлячих електродів зонда.

В тому випадку, якщо вимірювання проводяться в неоднорідному середовищі, опір, обчислений за формулою (5.10), має сенс умовного (позірного) опору. Воно рівне опору такого фіктивного однорідного середовища, в якому при заданих розмірах зонда і силі живлячого струму у вимірювальному ланцюзі створюється така ж різниця потенціалів, як і в даному неоднорідному середовищі. Тобто остаточно формула (5.10) набуває вигляду:

(5.13)

Питомий опір (як і позірний) вимірюється в Омм. За фізичною суттю Омм є опір 1 м³ гірської породи, виміряне в напрямі, паралельному граням.

Вираз (5.13) справедливий для визначення питомого опору ρ ізотропного і однорідного середовища. Але на практиці ця умова не виконується. При каротажі ми маємо справу з неоднорідним середовищем різного опору і глинистим розчином, який заповнює свердловину.

Коли формулу (5.13) використовують у практиці, результат називаютьпозірним (умовним) опором_по (ПО). Для однорідного середовища питомий опір не залежить від величиниі, а позірний опір залежить від цих величин. Взагалі позірний опір залежить від питомого опору і потужності пластів, проти яких знаходиться каротажний зонд; від діаметру свердловини; питомого опору бурового розчину, від проникнення бурового розчину (чи його фільтрату) у пласти; від розташування електродів зонда (типа зонда) і його розмірів.

Позірний опір однорідного анізотропного середовища не залежить від типу і розміру зонда, пропорційний середньому позірному опору анізотропного середовища і залежить від коефіцієнта анізотропіїі кута, складеного свердловиною і напрямком падіння пластів. Значення позірного опору визначається формулою:

(5.14)

З цієї формули випливає, що позірний опір анізотропного середовища, виміряного перпендикулярно до нашарувань , дорівнює питомому опору цього середовища, виміряному у плоскості нашарувань:

=, (5.15)

Коли вимірювання проведено у площинінашарування, то позірний опір_поІІдорівнює середньому питомому опору цього середовища:

, (5.16)

Так як, коефіцієнт анізотропії порід більшийодиниці, то позірний опір порід у напрямку перпендикулярному нашаруванням меншийпозірного опору за нашаруванням.

Між іншим, відомо, що дійсний питомий опір анізотропних порід у напрямку перпендикулярному нашаруванням більше дійсного питомого опору за нашаруваннями .

Така невідповідність позірного і дійсного опорів називається парадоксом анізотропіїі викликано збільшенням щільності струму вздовж нашарувань у напрямку підвищення електропровідності анізотропних (шаруватих) порід.