Каротаж на основе естественных и искусственно вызванных электромагнитных полей

Как и в электроразведке, предпосылками методов электрического каротажа является возможность существования в геологической среде, окружающей скважину, электромагнитного поля. Его исследование и изучение с в зависимости от дифференциации горных пород, включая целевые объекты (нефтегазовые продуктивные горизонты, угольные пласты, рудные тела и пр.) и является основной целью электромагнитных методов ГИС с последующим решением поставленных геологических задач.

Как и в электроразведке, электрических методов ГИС очень много: десятки и даже первые сотни, если учитывать детализационные методы и специальные методы при работах в скважинах. Преимущественно это методы электрического профилирования по стволу скважины, при том, что продуктивные нефтегазовые интервалы или другие целевые объекты подвергаются электрическому (электромагнитному) зондированию.

Классическим электромагнитным методом, появившимся на заре каротажных работ, является электрический каротаж методом КС (кажущихся сопротивлений). Исследования выполняются с использованием искусственно созданного поля, т.е. должен быть источник поля (генератор). Одновременно с методом КС производится регистрация потенциалов постоянного естественного электрического поля, т.е. потенциалов собственной поляризации – ПС. Последние в наземной электроразведке носят название потенциалов естественного электрического поля – ЕП. Схема электрического каротажа КС и ПС приведена на рис. 4.3)..

Рис. 4.3. Схема электрического каротажа КС и ПС

1 – генератор, 2 - измеритель, 3, 4 – фильтры,

А,В – питающие электроды,

М, N – измерительные электроды

Ф орма представления данных каротажа на примере теоретических кривых кажущегося удельного электрического сопротивления, полученных потенциал-зондом в пластах высокого сопротивления большой и ограниченной толщины, показана на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Теоретические кривые кажущегося удельного электрического сопротивления, полученные потенциал-зондом в пластах высокого сопротивления большой (а) и ограниченной (б) мощности

Виды каротажа по методу сопротивлений включают: 1) 1. каротаж зондами кажущегося сопротивления (КС), 2) боковой каротаж (БК), 3) индукционный каротаж (ИК), 4) микрокаротаж (МКС). Основными электрическими методами являются КС и БК.

Метод КС выполняется посредством электропрофилирования по стволу скважины с помощью осевых электроразведочных установок. Последние представляют собой зонды КС. Они подразделяются на потенциал- и градиент-зонды (КС-ПЗ и КС-ГЗ).(рис. 4.5).

Рис. 4.6.. Схемы последовательного (А) и обращенного (Б) зондов КС

I, II – однополюсные и двухполюсные, идеальные (а) и реальные (б) зонды

На каждом конкретном месторождении при записи кривых КС выбираются оптимальные условия их регистрации, то есть те, которые в наилучшей степени позволяют выделить границы пластов и охарактеризовать их литологическую принадлежность. Удельное электрическое сопротивление, как и в электроразведке, определяется по формуле (см.2.3).

Б оковой каротаж – один из основных методов исследований нефтяных, угольных и др. скважин. Достоинство метода в фокусировке тока, что достигается специальной конструкцией зондов (рис. 4.7). Размер центрального электрода, как правило, первые сантиметры, следовательно можно выявлять очень тонкие пласты и пропластки при том, что метод глубинный и составляет три длины экранных электродов.

Рис. 4.7. Схема трехэлектродного зонда БК

Диаграммы бокового каротажа по своей конфигурации соответствуют кривым потенциал-зондов, что собственно они и представляют, но за счет фокусировки более точно отражают в разрезах скважин дифференциацию пород по удельному электрическому сопротивлению. Преимущество БК еще в том, что одновременно с кривой ρ_к регистрируется кривая удельной электропроводности σ_к (ед. изм. – сим/м).

На рисунке 4.8 сопоставлены кривые ρ_к и σ_к. Сопоставление кривых показывает, что тонкие пласты выделяются весьма уверенно.

Рис. 4.8. Сопоставление каротажных диаграмм, зарегистрированных зондом БК по скважине №7. Участок Садкинский-Северный (Восточный Донбасс)

1 – уголь; 2 – углистый сланец; 3 – аргиллит; 4 – алевролит; 5 – песчаник; 6 – известняк

Метод бокового каротажного зондирования (БКЗ) основан на измерении ρ_к в заданном интервале скважины зондамиКС (градиент- или потенциал-) разной длины L. Цель БКЗ – определение истинных значений удельного электрического сопротивления (ρ_п) и мощности (h) продуктивных пластов. БКЗ в скважинах является квазианалогом метода ВЭЗ в электроразведке. Практика показывает, что наиболее эффективно БКЗ проводить градиент-зондами при L = 1 – 30 d_c, где d_c – диаметр скважины. Показатель L зондов увеличивается от зонда к зонду в геометрической прогрессии.

Индукционный каротаж (ИК) - электромагнитный метод, основанный на измерении кажущейся удельной электрической проводимости σ_к, то есть параметра σ_э = 1/ρ, который измеряется в единицах Сим/м (сименс – проводимость проводника с сопротивлением R= 1 Ом). Сущность метода в электромагнитном профилировании (ЭМП) по стволу скважины. Осевая установка ЭМП, состоящая из генераторной(Г_к) и приемной ( И_к) катушек и представляет собой специальный конструкции зонд. Расстояние между катушками составляет длину зонда L. Зонд является составной частью скважинного прибора, содержащего электронную схему (рис.4.9).

Рис. 14.9. Схема скважинного прибора

индукционного каротажа

Следует отметить, что в зондах ИК кроме двух главных катушек имеется несколько дополнительных генераторных и измерительных катушек. Они выполняют фокусирующую.

Высокочастотный индукционный каротаж изопараметрических зондирований (ВИКИЗ) отличается от ИК тем, что измеряются не абсолютные сигналы на фоне скомпенсированного прямого поля, а относительные фазовые характеристики. Этим достигается возможность геофизических измерений электрическими методами в скважинах с сильнопроводящим буровым раствором (ρ_с<0,5 Ом·м).

ВИКИЗ – современный высокотехнологичный метод ГИС, с помощью которого не только выполняется электропрофилирование по стволу скважины, но и электромагнитное зондирование по перпендикуляру к оси скважины (боковое зондирование). Физические основы в том, что относительная разность фаз и амплитуд, измеренных в 2-х близрасположенных катушках очень слабо зависит от параметров скважины даже на частотах в диапазоне 10÷15 МГц. Достигается высокий уровень сигналов в среде до 120 Ом*м.

Аппаратура ВИКИЗ включает скважинный прибор, подключаемый к наземной панели с помощью трехжильного кабеля. Наземная панель представляет собой микропроцессорную систему, обеспечивающую питание скважинного прибора, прием и трансформацию сигналов, их обработку и преобразование в аналоговый вид. Скважинный прибор состоит из зондовой части (набор пяти 3-х катушечных зондов) и блока электроники. На зондовой части соосно размещено 5 генераторных и 6 измерительных катушек (рис4.10).

Рис. 4.10. Схема зонда ВИКИЗ

L – длина зонда, ∆ L - длина базы – расстояние между измерительными катушками

Для всех пяти 3-х катушечных зондов выполняются условия квазистационарности в немагнитной среде.

Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП) основан на измерении естественного постоянного электрического поля Земли, дополнительно деформированного влиянием скважины. Это поле создается в основном вследствие окислительно-восстановительных фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов. Последние приводят к существованию на границах разделов сред двойных электрических слоев, суммарный потенциал которых и характеризует интенсивность поля ПС.

В нефтегазовых, гидрогеологических и др. скважинах основной интерес представляет диффузионно-адсорбционное активность, проявляющаяся при диффузии ионов электролитов из пластовых вод в промывочную жидкость (буровой раствор) или из бурового раствора в пластовую воду (пласт).

Метод ПС простой, но весьма эффективный, входящий в обязательный комплекс ГИС нефтегазовых и др.скважин. Измерение потенциалов естественного поля (U_сп) сводится к замеру разности потенциалов между подвижным электродом М и неподвижным электродом N, находящимся на поверхности (рис.4.11).

Рис. 4.11. Схема измерений методом ПС