Лекція №6

Індукційний каротаж. Фізичні основи. Форми кривих і фактори, що впливають. Області застосування та задачі, які вирішуються. Фізичні основи та області застосування діелектричного каротажу

Індукційні методи, які базуються на вивченні в свердловинах змінного електромагнітного поля високої та низької частоти розроблені достатньо детально. В практиці геофізичних робіт найбільшого поширення отримали низькочастотні індукційні методи з поздовжнім датчиком.

Низькочастотні індукційні методи включають: звичайний індукційні метод з поздовжнім датчиком; індукційний метод з поперечним датчиком; індукційний метод перехідних процесів; частотний індукційний метод та ін.

6.1 Фізичні основи

Індукційні методи використовуються для дослідження вторинного електромагнітного поля середовища, електрорушійна сила (е.р.с.) яких прямо пропорційна електропровідності гірських порід. Вторинне електромагнітне поле в навколишньому середовищі виникає за рахунок вихрових струмів, які індуковані котушкою, що живиться від генератора змінного струму, який розміщений в свердловині. В індукційних методах електроди як струменеві не використовуються, та вторинне електромагнітне поле формується в гірських породах за рахунок індукційного зв’язку первинного електромагнітного поля середовища, що оточує зонд.

Відповідно, індукційні методи дозволяють вивчати розрізи сухих свердловин і свердловин, які пробурені з промивною рідиною на нафтовій або іншій основі, яка погано проводить електричний струм, а також свердловин, які заповнені нафтою.

Другою особливістю індукційних методів є характер розподілу вторинних струмів, які індуковані генератором з котушкою в гірських породах. Їх струменеві лінії лежать в площині, яка перпендикулярна до осі генераторної котушки.

Найпростіший зонд індукційних методів складається з двох котушок (генераторної та приймальної), які опущені в свердловину. Відстань між серединами котушок є довжиною індукційного зонда (L_i). Генераторна котушка зонда підключена до генератора змінного струму ультразвукової частоти 20-60 кГц і живиться стабілізованим за частотою та напругою струмом. Приймальна котушка зонда живиться через підсилювач та фазочутливий елемент і підключена за допомогою кабелю до реєструючого пристрою, що розміщений на поверхні. Змінний струм, який протікає в генераторній котушці, створює змінне магнітне поле, яке в свою чергу індукує в середовищі, що оточує зонд, вихрові струми, які формують вторинне змінне магнітне поле такої ж частоти, що й первинне поле.

Електрорушійна сила, що генерується вторинним полем у приймальній котушці, складається з двох складових – активної та реактивної. Свердловинним приладом реєструється сигнал активної складової е.р.с.. У випадку провідності середовища е.р.с. активної складової прямопропорційне її електропровідності. З ростом електропровідності середовища е.р.с. активного сигналу збільшується повільно за більш складним законом. Порушення пропорційності між величиною активного сигналу та електропровідністю середовища пов’язане із взаємодією вихрових струмів. Чим більша частота струму та електропровідність середовища, тим значніша взаємодія вихрових струмів і, відповідно, суттєвіший вплив скін-ефекту на покази індукційного каротажу. Активний сигнал реєструється на поверхні у вигляді кривої, яка відбиває зміну електропровідності порід в свердловині. Точка запису кривої є середина відстані між центрами генераторної та приймальної котушок. Одиницею вимірювання електропровідності порід є См/м – величина, яка обернена питомому опору – Ом·м. Але на практиці в основному використовують мСм/м.

Звичайний індукційний метод з поздовжнім датчиком

Звичайний низькочастотний індукційний метод з поздовжнім датчиком базується на вивченні електромагнітного поля поздовжнього датчика, вісь якого співпадає з віссю свердловини. В даному випадку вихрові струми розміщені в площинах, які перпендикулярні до осі свердловини і не перетинають поверхню розділу горизонтальних шарів. На результати вимірювання простим двохкотушечним зондом з метою вивчення дійсного питомого опору значно впливає свердловина, зона проникнення та вміщуючі породи, а також прямий сигнал від генераторної котушки. Для зменшення цих факторів і виключення прямого сигналу Долль запропонував багатокотушечні фокусуючі зонди.

Зонди звичайного низькочастотного індукційного методу

Багатокотушечний зонд представляє собою систему котушок, які закріплені на одному ізольованому стержні (Рис. 11.1). Генераторна котушка ГК і приймальна котушка ПК є основними (головними), інші котушки називаються фокусуючими Ф в генераторній ФГ і приймальній ФП ланках. Комплексні котушки служать для виключення в приймальній котушці е.р.с. прямого поля, яка індукується генераторною котушкою.

Фокусуючі котушки призначені для зменшення впливу некорисних сигналів шляхом створення в приймальній ланці е.р.с., які викликані вихровими струмами, що циркулюють в свердловині в зоні проникнення та вміщуючих порід.

Фокусуюча дія котушок досягається за допомогою підбору числа їх витків, розміщення та включення їх відносно головних котушок. Число додаткових котушок, їх взаємне розміщення та число витків повинно бути таким, щоб в значній мірі виключати вплив свердловини, зони проникнення та вміщуючих порід, а ефективна електропровідність була як найближче до дійсного значення електропровідності пласта. Компенсаційні та фокусуючі котушки включаються послідовно з головними, але їх витки намотані обернено виткам генераторної та приймальної котушок.

У позначенні зондів перша цифра відповідає числу всіх котушок. Буква Ф означає, що зонд – фокусуючий. Остання цифра відповідає довжині зонда. Наприклад індукційний зонд 5Ф1.2 – п’ятикотушечний, фокусуючий, довжиною 1.2 м.

Ефективність дослідження індукційного каротажу при вивченні розрізів свердловин у значній мірі визначається вибором зонда з оптимальними параметрами. Багатокотушечний зонд повинен забезпечувати вимірювання питомої електропровідності порід у достатньо широкому діапазоні, суттєво знизити вплив свердловини, зони проникнення та вміщуючих порід, володіти значною глибинністю дослідження та відмічати на кривих _еф малопотужні пласти.

Багатокотушечні зонди діляться на симетричні та несиметричні. Симетричними зондами називають такі, в яких спостерігається симетрія в розміщенні фокусуючих котушок відносно точки запису та рівність похідних моментів котушок для всіх симетрично розміщених фокусуючих пар. До симетричних зондів відносяться п’яти – та шестикотушечні зонди, а до несиметричних – трьох- та чотирьохкотушечні. Розрізняють зонди з внутрішнім фокусуванням (додаткові котушки, розміщені в зонді між головними), зовнішнім фокусуванням (додаткові котушки розміщені поза довжиною зонда) та із змішаним фокусуванням (додаткові котушки розміщені як і всередині, так і поза межами зонда).

Степеню фокусування індукційного зонда називається відношення сигналу в однорідному середовищі Е_бк для багатокотушечного зонда до сигналу для двохкотушечного зонда Е_дк, тобто:

. (11.1)

Розрізняють зонди з слабким фокусуванням (K_Ф>0.3) і сильним фокусуванням (K_Ф<0.3).

Апаратура індукційного каротажу АІК-М

Апаратура індукційного методу АІК-М призначена для роботи з одножильним кабелем із зондом 6Ф1 (Рис. 11.2). В генераторній котушці зонда від генератора збуджується змінне магнітне поле з частотою 50 кГц. Приймальна котушка фіксує активну складову е.р.с. вторинного магнітного поля. Для компенсації е.р.с. прямого поля, зменшення впливу свердловини та вміщуючих порід у ланці генераторної (ГК) та приймальної (ПК) котушок зонда включені по два фокусуючих електроди (ФГ₁, ФГ₂, ФП₁, ФП₂). З приймальної ланки зонда виходить сигнал через підсилювач П₁, поступає на амплітудний маніпулятор АМ. Напруга для амплітудного маніпулятора вибирається генератором низької частоти ГНЧ – 380 Гц. Високочастотний амплітудно маніпульований сигнал подається на фазочутливий детектор ФЧД, де перетворюється на напругу низької частоти, величина якого пропорційна активній складовій низькочастотного сигналу та знаходиться в одній фазі з опорною напругою. Фаза опорної напруги підбирається таким чином, щоб проходило детектування активної компоненти е.р.с. вторинного електромагнітного поля. Після детектування низькочастотного коливання через підсилювач П₂ подаються на вхід частотно модуляційного перетворювача ЧМП з несучою частотою 14 кГц. Частотно модульований сигнал і напруга низької частоти, яка необхідна для роботи фазочутливого детектора вимірювальної панелі ВП, поступає на вхід суматора СУ і по кабелю подаються на поверхню в блок керування БК, а потім на вимірювальну панель ВП, де сигнали розділяються за несучими частотами, а інформаційні сигнали демодулюються, випрямляються фазочутливим випрямлячем та подаються на реєструючий прилад РП.

Свердловинний прилад живиться постійним струмом від уніфікованого випрямляча УВК-1. Індукційний зонд, поміщений у склопластиковий кожух, який заповнений кремнійорганічною рідиною та оснащений компенсатором тиску. В нижній частині зонда у герметичному відсіку розміщений конденсатор С, який під’єднаний паралельно до генераторної лінії. За допомогою даного конденсатора лінія настроюється в резонанс із робочою частотою струму, що зменшує струм у живлячій ланці та підвищує стабільність зонда.

Апаратура АІК-М дозволяє вимірювати ефективну електропровідність в діапазоні 1500-2000 мСм/см (0.7-50 Ом·м). При максимальній температурі в свердловині 150 °С і максимальному гідростатичному тиску 10⁸ Па.