Концепция создания дополнительных геофизических модулей для контроля технологических параметров и решения геологических задач в процессе бурения

Модуль индукционного каротажа

Индукционный каротаж основан на изучении распределения электромагнитного поля в пространстве, окружающем зонд, в зависимости от удельной электропроводности горных пород. В отличие от других методов электрического каротажа, индукционный каротаж бесконтактный, т. е. посредством индукционного зонда измеряют проводимость горных пород, не посылая в них через электроды электрический ток. Таким образом, предоставляется возможность исследовать сухие скважины и скважины, заполненные промывочной жидкостью, приготовленные на нефтяной основе. Кроме того, индукционные зонды имеют лучшую разрешающую способность по мощности и больший радиус исследования изучаемой среды.

В сомом элементарном виде индукционный зонд (рис. 3.19) состоит из двух катушек — генераторной и измерительной, укрепленных на изолированном немагнитном стержне на некотором расстоянии L друг от друга, называемом размером зонда. Генераторная катушка питается постоянным по величине переменным током высокой частоты (20−60 кГц.), создающим переменное магнитное поле — прямое и первичное. В результате в породах, окружающих зонд, индуцируются вихревые токи, токовые линии которых в однородной среде представляют собой окружности с центром по оси скважины. Вихревые токи создают, в свою очередь, вторичное переменное магнитное поле той же частоты.

а-схема зонда, б-схема взаимного расположения узлов в скважинном приборе и сочетание элементарного тороидального кольца, 1-усилитель, 2-измерительная катушка, 3-тороидальное кольцо с направлением в нём токовых линий, 4-генераторная катушка, 5-генератор, к.ср. — значение кажущегося сопротивления в средней части пласта, к. опт-среднее значение кажущегося сопротивления в интервале пласта равном разности h-10 или h-OA.

Первичное и вторичное магнитные поля индуцируют в измерительной катушке ЭДС Еп. В индуцируемую ЭДС Еп входит как составляющая ЭДС Е1, созданная прямым полем генераторной катушки и не связанная с электрическими свойствами горных пород. Поэтому в цепь приёмной катушки с помощью дополнительной компенсационной катушки вводят компенсационную ЭДС Ек, равную Е1 и противоположную ей по фазе. Полезная часть сигнала, т. е. ЭДС Е2, индуцируется вторичным магнитным полем, подаётся на усилитель, преобразуется, и передаётся на поверхность. Е2 является активной составляющей ЭДС, индуцируемой вторичным магнитным полем, и приблизительно пропорциональна электропроводности окружающей среды. В результате в процессе перемещения зонда регистрируется диаграмма изменения электропроводности среды по разрезу скважины. Точка записи зонда — середина расстояния между центрами генераторной и приёмной катушек. Единицей измерения электропроводности у пород является величина, обратная Ом*м, -сименс на метр (См/м).На практике используют мСм/м.

Рассмотрим связь между величиной измеряемого сигнала и удельной электропроводностью среды уп, предпологая её однородной. Для этого разобьём системой цилиндров все увеличивающихся радиусов и плоскостями, перпендикулярными к оси зонда, все пространство на ряд элементарных тороидальных колец, центры которых располагаются на оси зонда, и рассмотрим элементарное кольцо радиусом r с расстоянием от центра кольца до средней точки зонда, равным z (рис. 3.19). Переменное магнитное поле, создаваемое генераторной катушкой, индуцирует в элементарном тороидальном кольце ЭДС, под действием которой по кольцу будут циркулировать переменные токи, создающие в нём вторичное магнитное поле.

Здесь уn-электропроводность среды;

— коэффициент, называемый пространственным (геометрическим) фактором элементарного кольца, где Кг и Ки — расстояния от элементарного кольца до центров генераторной и измерительной катушек, L — размер зонда;

— коэффициент зонда, зависящий от параметров установки, где f — частота тока, питающего генераторную катушку; Iо — амплитуда силы тока; м — магнитная проницаемость изучаемой среды — в случае однородной немагнитной среды м = I; Sи и Sг — площади витков измерительной и генераторной катушек; nи и nг — количество витков этих катушек.

Суммарная ЭДС в измерительной катушке составляет сумму единичных сигналов от элементарных колец, на которые разбивается всё пространство:

где Ео — амплитудное значение индуцируемой ЭДС, которое замеряется, Ео=Кинд*у*У*Уg. Знак минус свидетельствует о том, что индуцируемая в измерительной катушке ЭДС находится в противофазе с питающим генераторную катушку током и является по отношению к нему активной составляющей. Существует строгое доказательство, на основании которого суммарный геометрический фактор однородной изотропной среды.

.

Откуда,.

Практически при индукционном каротаже измеряют величину Еинд, пропорциональную амплитудному значению ЭДС Ео.

При изучении неоднородных сред определяют кажущуюся удельную электропроводность ук, т. е. электропроводность такой фиктивной однородной среды, в которой при определённых заданных параметрах зонда создаётся активная составляющая ЭДС, равная ЭДС, измеряемой тем же зондом при исследовании в данной неоднородной среде:

Где ук? уп вследствие искажающего влияния скважины, зоны проникновения, вмещающих пород и других факторов. Чем больше неоднородность среды, тем больше отличается ук от уп.

В соответствии с приближенной теорией для двухкатушечного индукционного зонда все среды включены в цепь кольцевых токов параллельно и регистрируемая ЭДС Еи представляет собой сумму сигналов, приходящих от каждого параллельно включенного участка среды отдельно. В этом случае.

Где ур, узп, уп, увм — удельные электропроводности раствора, зоны проникновения, неизменной части пласта и вмещающих пород соответственно; Gр, Gзп, Gп, Gвм — геометрические факторы скважины, зоны проникновения, неизменной части пласта и вмещающих пород.

В зависимости от соотношения величин G и у каждой зоны регистрируемая кажущаяся электропроводность ук будет отличаться от истинной электропроводности породы. С целью получения значений ук, более точно отражающих уп, в цепь двух основных катушек зонда подключают несколько дополнительных катушек — фокусирующих, которые могут быть подключены как в генераторную, так и в приёмную цепи. Число их в зависимости от типа применяемого зонда колеблется от 1 до 4. Зонд индукционного метода обычно обозначают шифром: первая цифра соответствует числу катушек, буква Ф означает, что зонд с фокусирующими катушками; далее обозначается в метрах длина зонда L.

Фокусирующие катушки, введеные в схему индукционного зонда, создают сигналы соответствующих знаков, ослабляя до минимума влияние скважины и зоны проникновения фильтрата глинистого раствора в пласт на измеряемую величину ук.

В настоящее время используется несколько типов аппаратуры низкочастотного индукционного каротажа: ЭЗМ, ПИК — 1 М, используемых электронных схем.

Кривые ук индукционного каротажа против пластов ограниченной мощности симметричны относительно середины пласта (рис. 3.20). Границы пласта определяют по середине аномалии, где её ширина соответствует истинной мощности пласта h при h? 4 м. Если h < 4 м, то ширина аномалии дает фиктивную мощность hф < h.

Шкала регистрируемой диаграммы представлена обычно в двух масштабах — кажущейся электропроводности ук и кажущегося сопротивления ск. Кривая кажущейся электропроводности имеет линейную шкалу, а кажущегося сопротивления — гиперболическую. Поэтому диаграмма позволяет хорошо расчленить разрез в области относительно низких сопротивлений (повышенных электропроводностей).

Рис. 3.20.

За отсчитываемые значения ук (ск) принимают экстремальные значения против пласта. Они близки к удельной электропроводности пласта и могут быть использованы вместо неё в пластах достаточной мощности при наличии скважины с пресным глинистым раствором (ср > 1,5 Ом* м), отсутствии проникновения в пласт или наличии неглубокого повышающего проникновения. В остальных случаях при определении уп в исходные данные необходимо вносить соответствующие поправки на влияние скважины, ограниченную мощность пласта, явление скин-эффекта и наличие зоны проникновения фильтрата глинистого раствора (Явление скин-эффекта связано с взаимодействием вихревых токов в породах и выражается в нарушении прямой пропорциональности между регистрируемым активным сигналом и электропроводностью среды при её высокой проводимости (уп > 300 мСм/м.). Для этих целей используют специальные палетки.

Индукционные зонды среднего размера (0,75−1 м.) имеют радиус исследования, почти в 4 раза превышающий радиус обычных зондов каротажа КС, что позволяет более точно определять истинное сопротивление пород, обычно в диапазоне до 50 Ом*м.