книги / Геофизические исследования скважин

Определение удельного электрического сопротивления пластов (боковое электрическое зондирование)

По результатам замеров кажущегося сопротивления одним зон­ дом мы можем определить границы пластов и лишь приближенно судить о величине удельного электрического сопротивления горных пород. Для более точного определения удельного сопротивления пла­ стов по кривым кажущегося сопротивления применяют специаль­ ную методику — б о к о в о е э л е к т р и ч е с к о е з о н д и р о в а н и е (сокращенно БЭЗ)1. Эта методика заключается в измерении кажу­ щегося сопротивления с помощью не скольких (пяти—семи) гради­ ент-зондов или реже потенциал-зондов различной длины. Чем боль­ ше длина зонда, тем больше радиус его исследования. Применение комплекта зондов различной длины позволяет при интерпретации учесть влияние бурового раствора на величину кажущегося сопро­ тивления, найти истинное сопротивление пласта, установить нали­ чие проникновения фильтрата бурового раствора в пласт, оценить удельное сопротивление и глубину зоны проникновения раствора. Для успешной интерпретации диаграмм по методу БЭЗ необходимо также иметь кривую изменения фактического диаметра скважины с глубиной (кавернограмму) и кривую изменения удельного сопротив­ ления бурового раствора по стволу скважины.

1 Называют также б о к о в ы м к а р о т а ж н ы м з о н д и р о в а н и е м , или БКЗ

21

Размер зондов, используемых для БЭЗ, изменяется от 1 — 2 до 20 — 30 диаметров скважины. Тип зондов для БЭЗ зависит от харак­ тера изучаемого разреза и выбирается опытным путем. Часто, на­ пример, применяют следующий комплект последовательных гради­ ент-зондов- 1) A0,4M0,1N; 2) А1,0М0,Ш; 3) A2,0M0,5N; 4) A4,0M0,5N; 5) A8.0M1N; 6) N0,5M4,0A.

Последний зонд (обращенный градиент-зонд) служит для уточне­ ния границ пластов.

При изучении разрезов скважин, сложенных мощными пластами очень высокого или очень низкого удельного сопротивления, может в некоторых случаях оказаться эффективным боковое электричес­ кое потенциал-зондирование следующим комплектом зондов с раз­ мерами AM, равными 0,25; 0,5; 1; 2 и 4 м. При этом электрод N дол­ жен быть удален от электрода М на расстояние, превышающее мощ­ ность исследуемых пластов (практически на 30— 40м).

По результатам измерения кажущегося сопротивления зондами разной длины строят в каждом изучаемом пласте наблюденную кри­ вую зондирования — зависимость кажущегося сопротивления от длины зонда, вычерченную в двойном логарифмическом масштабе. При этом для отсчета кажущегося сопротивления используют его средние, максимальные или оптимальные значения, найденные по определенным правилам в пределах изучаемой аномалии (рис. 13).

В пластах большой мощности, не отличающихся достаточной од­ нородностью, наблюденные кривые зондирования чаще строят по средним значениям ркср, в пластах малой мощности — по максималь­ ным рк тах и в пластах мощных,

22

проникновения пресного фильт­ рата бурового раствора близко к удельному сопротивлению пласта в

не затронутой проникновением части.

Интерпретацию кривых первого типа проводят с помощью двух­ слойных палеток бокового электрического зондирования.

На рис.15 изображен пример интерпретации двухслойной кривой зондирования. Наблюдаемая кривая зондирования совпала с палеточной кривой, имеющей модуль рп/р р = 26. Найденное значение удельного сопротивления, отсчитанное на бланке по точке пересече­ ния наблюденной кривой зондирования с линией А— А (геометричес­ ким местом асимптот кривых), равно 17,4 Ом • м.

В т о р о й т и п к р и в ы х — трехслойные кривые зондирования, наблюдаемые при проникновении фильтрата бурового раствора, по­ нижающего сопротивление пласта. Этот тип кривых характерен для мощных пластов-коллекторов, когда сопротивление пласта в зоне проникновения фильтрата бурового раствора рзп меньше истинного сопротивления пласта рп (рзп<рп). Литологически такие пласты мо­ гут быть представлены проницаемыми нефтенасыщенными или га-

23

зонасыщенными породами. Кроме того, этот тип кривых зондирова­ ния может отмечаться в проницаемых водоносных пластах, если удельное сопротивление ф ильтрата бурового раствора меньше удельного сопротивления пластовой воды.

Интерпретацию проводят с помощью комплекта трехслойных кривых БЭЗ либо с большим приближением с помощью двух­ слойных кривых БЭЗ и специальной палетки ЭК-2. На рис.16 изоб­ ражен пример истолкования кривой этого типа с помощью палетки ЭК-2 (серия пунктирных кривых в нижней части рисунка), совме­ щенной с двухслойной кривой (серия пунктирных кривых в верх­ ней части рисунка). По положению креста наблюденной кривой зон­ дирования на палетке ЭК-2 можно приближенно оценить относи­ тельны й диам етр зоны проникновения ф и льтрата бурового раствора в пласт D /d cи относительное сопротивление пласта в зоне проникновения рзп/р п-

Т р е т и й т и п к р и в ы х — трехслойные кривые, наблюдаемые при проникновении фильтрата бурового раствора, повышающего со­ противление пласта. Кривые характерны для мощных пластов-кол­ лекторов при условии, что сопротивление пласта в зоне проникнове­ ния фильтрата бурового раствора рзпбольше истинного сопротивле­ ния пласта рп (рзп>рп). Литологически такие пласты могут быть представлены проницаемыми песчаниками и известняками с грану­ лярным типом пористости, насыщенными минерализованной водой.

24

вения фильтрата раствора, по­ вышающего сопротивление пласта, изображен на рис.17. Определив

по палеткам сопротивление пласта рп, параметр [/-эквивалентности и по левой ветви кривой зондирования приближенное значение удельного сопротивления пласта в зоне проникновения фильтрата бурового раствора рзп по формуле

можно приближенно оценить диаметр зоны проникновения бурового раствора D. Имеются специальные палетки для определения D, рас­ считанные по формуле (1.20).

Ч е т в е р т ы й т и п к р и в ы х наблюдается в тонких пластах высокого удельного сопротивления при отсутствии или при наличии проникновения фильтрата бурового раствора в пласт. Таким обра­ зом, литологически это могут быть как плотные, так и проницаемые пласты. Для интерпретации этих кривых применяются палетки ЭКЗ (экстремальные кривые зондирования).

Палетки получены путем моделирования электрического поля на электроинтеграторе. На рис. 18 показаны примеры интерпретации кривых БЭЗ четвертого типа с помощью палетки ЭКЗ.

На рис.18, а показано определение удельного сопротивления тон­ кого пласта без проникновения фильтрата раствора. Если рр= 1 Ом ■м, dc=0,3 м, сопротивление вмещающих пород рвм=5 Ом • м и мощность пласта h =2,4м, то найденное удельное сопротивление пласта по кри­ вой с модулем рп/р =25 будет равно рп=25 -1 = 25 Ом • м.

25

ю

Рис. 18. Пример интерпретации кривых БЭЗ, полученных в тонких пластах, с помощью палеток ЭКЗ. Сопоставление наблюденной кри­ вой БЭЗ (сплошная кривая) с кривыми палеток ЭКЗ:

а—для пластабезпроникновенияфильтратабуровогораствора,б—дляпла­ ста с проникновением фильтрата буровогораствора Шифр кривых— Р„/Рр

На рис.18, б приведен пример интерпретации для пласта с про­ никновением фильтрата бурового раствора. Сопоставление палеточных кривых с левой и правой ветвями наблюденной кривой зондиро­ вания производится раздельно при условии: рр= 0,9 Ом • м, dc= 0,3 м, рвм=6 Ом • м и /i=l м.

Совмещая основные кресты палетки и кривой БЭЗ, находим по ле­ вой ветви модуль кривой ц=рзп/рр=15, откуда рзп = 15 • 0,9=13,5 Ом • м. Совмещая вспомогательные кресты палеток, по кривой ветви кривой БЭЗ определим модуль р=рзп/рп = 25. Сопротивление пласта по кри­ вой ветви вычислим по формуле рп = (p/v)pBM=(25/5) ■6=30 Ом • м , где v =р вм/рп — относительное сопротивление вмещающих пород, для ко­ торых построена используемая палетка ЭКЗ. Отсюда следует, что имеется проникновение фильтрата бурового раствора, снижающего сопротивление пласта.

Определение удельного сопротивления пород методом БЭЗ полу­ чило широкое распространение в промышленности. Хорошие резуль­ таты получены при изучении мощных пластов плотных и пористых пород с межзерновой пористостью, а также при изучении уединен­ ных тонких плотных и пористых пластов. Возникают большие зат­ руднения при определении удельного сопротивления резко неодно­ родных пачек пластов, пластов высокого удельного сопротивления, а такж е при заполнении ствола скважины раствором низкого (<0,5 Ом • м) удельного сопротивления.

Все отмеченные выше ограничения метода БЭЗ связаны с весьма существенным влиянием скважины, заполненной проводящим буро­ вым раствором, на показания зондов. Другими словами, скважина как бы шунтирует ток, текущий между питающими электродами, ослаб­

26

ляя тем самым полезное влияние окружающих скважину горных пород. Шунтирующее влияние скважины можно уменьшить, если воспользоваться фокусироваием электрического тока. Эта идея была воплощена в методе экранированного заземления.

§ 4. МЕТОД ЭКРАНИРОВАННОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ (БОКОВОЙ КАРОТАЖ)

Изучение разрезов скважины методом экранированного зазем­ ления такж е основано на различии удельных электрических со­ противлений горных пород. В научной литературе известно несколько модификаций метода. В производстве получили распространение из­ мерения по методу экранированного заземления с автоматической фо­ кусировкой тока или, как часто называют, по методу бокового карота­ жа. Наиболее широко используют две модификации метода экрани­ рованного заземления: измерения по схеме с семиэлектродным зондом

иизмерения по схеме с трехэлектродным зондом.

Всемиэлектродном зонде (рис. 19) электроды смонтированы на гибком кабеле или на изолированной трубе. Зонд имеет три однополярных токовых электрода (А0, А г и А2) и две пары из­ мерительных электродов (MJN J, M2N2). Через центральный элек­ трод А 0 и через фокусирующие электроды А х и А2 пропускают ток одной полярности . Сила тока, протекающего через фо­ кусирующие электроды, регу­ лируется так, чтобы независи­ мо от сопротивления горных по­ род и сопротивления бурового раствора обеспечить равенство потенциалов электродов А0, А г

иА2 при неизменном токе 10, те­

жины и направится фокусированным пучком в горную породу (рис. 19, а).

В методе экранированного заземления измеряют кажущееся или эквивалентное удельное сопротивление горных пород, которое име­ ет такой же физический смысл, как и кажущееся сопротивление,

27

измеренное с обычным зондом. Кажущееся сопротивление вычисля­ ют по формуле

■•о где К — коэффициент зонда, определяемый по специальным фор­

мулам; ДU — разность потенциалов между одним из измерительных электродов (М, или /V,) и удаленным электродом N; 10 — сила тока, текущего через центральный электрод А0.Трехэлектродный зонд (рис. 19, б) в методе экранированного заземления представляет собой длин­ ный цилиндрический электрод, разделенный двумя изолирующими промежутками на три части: небольшой по длине центральный элек­ трод А0 и два длинных симметричных экранных электрода А , и А 2. Так же, как и в семиэлектродном зонде, через электроды Ав, Aj и А2 пропускают электрический ток одной полярности. Силу тока, теку­ щего через экранные электроды, регулируют так, чтобы разность по­ тенциалов между тремя электродами была равна нулю *.

Определение кажущегося сопротивления также производится с помощью уравнения (1.21), где AU будет разность потенциалов меж­ ду одним из токовых электродов и удаленным электродом N.

Характерными размерами семиэлектродного зонда являются его длина Ь = 0 Х0 2— расстояние между серединами интервалов MXN Xи M2N2 и общий размер Ьоб- А 1А 2. Для трехэлектродного зонда харак­ терными размерами являются его длина L, равная расстоянию меж­ ду серединами изолирующих промежутков, и его общая длина L^.

Точкой записи кривых в зондах экранированного заземления яв­ ляется середина центрального электрода. Соотношение длины L и общего размера Lo6 семиэлектродного зонда определяет параметр фокусировки зонда q=(L^-L)/L . С увеличением параметра фокуси­ ровки q уменьшается влияние ближней зоны (скважины и зоны про­ никновения фильтрата бурового раствора), но возрастает влияние мощности пласта на кажущееся сопротивление. Можно привести два примера для семиэлектродных зондов, применяемых на практике: зонд с большим радиусом исследования А х1,1ЫхО,2МхО,2А00,2Мг 0,2ЛГ21,1А2, имеющий q=4, и зонд с меньшим радиусом исследования A10,51V10,2M10,3AoO,3M2Ol21V20,5A2, имеющий д=1,5.

На рис. 20 показаны типичные кривые рк, полученные по методу экранированного заземления на модели одиночных пластов высоко­ го удельного сопротивления.

Для определения границ пластов по кривым семиэлектродного зонда находят точки максимального градиента рк (точки перегиба кривой), которые приурочены примерно к половине высоты анома­ лии. От этих точек в масштабе глубин откладывают вниз и вверх рас­ стояние, равное половине длины зонда. Параллельные прямые ли-

1 Имеется и другая возможность для достижения этого условия — замкнуть меж­ ду собой центральный и экранные электроды через малое сопротивление, служащее для измерения силы тока

28

Рис. 20. Кривые кажущегося сопротивления против пластов вы­ сокого сопротивления ограниченной мощности, полученные на моделях пластов.

При измерениях: а — с семиэлектродным зондом; б — с трехэлектрод­ ным зондом. 1— пласт; 2 — рк/рр 3 — р„/рр

нии, проведенные на этих глубинах, укажут положение кровли и по­ дошвы пласта (рис. 20, а).

Границы пласта по кривым трехэлектродного зонда определяют по началу наиболее крутого подъема и окончанию спада кривой рк, т. е. на уровне основания аномалии (рис. 20, б).

Кривые на рис. 20 показывают влияние мощности пластов на ве­ личину аномалии рк. При измерениях с семиэлектродными зондами влияние мощности необходимо учитывать в пластах с h<2Lo6 (h < 1,2 + 6 при = 0,6+3 м). При измерениях с трехэлектродным зон­ дом влияние мощности существенно меньше и начинает ощущаться в пластах с h < 4dc(h < 0,8+1,2 м при dc=0,2—0,3м).

На рис.21 изображены кривые зависимости между кажущимся и истинным сопротивлениями пласта для семиэлектродного зонда. Из рассмотрения этих кривых следует, что при отсутствии проникновения фильтрата бурового раствора в пласт (D/d =1) кажущееся сопротив­ ление пропорционально истинному сопротивлению пласта в широком диапазоне изменения последних. Сравнительно мало влияет на кажу­ щееся сопротивление наличие небольшой (D /dc<4) зоны понижаю­ щего проникновения раствора (рзп<рп). Это также благоприятные ус­ ловия для определения истинного сопротивления пласта. Повышаю­ щее проникновение раствора (рзп>рп) оказывает большое влияние на

29

каж ущ ееся сопротивление, а при глубоких проникновениях рк практически не зависит от удельного сопротивления плас­ та. Таким образом, в общем слу­ чае при наличии зоны проникно­ вения раствора по одной кривой экранированного заземления нельзя точно определить удель­ ное сопротивление пласта. В этом случае необходимо для интерпретации привлекать дан­ ные измерений с другими зонда­ ми, отличающимися меньшим и

большим радиусами исследова­ Рис. 21. Кривые зависимости рк/рр от ний. Таким образом, метод экра­

чения разрезов, сложенных плотными горными породами с высоким удельным сопротивлением. В этих условиях метод позволяет более де­ тально, чем обычный метод КС, произвести расчленение разреза, точ­ нее определить удельное сопротивление пластов.

§5. ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД

Изучение разрезов скважин индукционным методом основано на различии в электропроводности горных пород — величине, обрат­ ной удельному электрическому сопротивлению.

Первоначально метод разрабатывался для исследования сква­ жин, заполненных не проводящим электрический ток буровым ра­ створом (на нефтяной основе), в котором обычно метод КС или ме­ тод экранированного заземления, имеющие систему токопроводя­ щих и измерительных электродов, применены быть не могут. Однако в последующем были обнаружены существенные преимущества ин­ дукционного метода при изучении геологических разрезов низкого сопротивления в скважинах, заполненных обычным токопроводя­ щим буровым раствором.

Принципиальная схема индукционного метода включает скважин­ ный снаряд (зонд) и регистрирующий прибор. Скважинный снаряд имеет систему излучающих и приемных катушек, обладающих боль­ шой индуктивностью, а также генератор переменного электричес­ кого тока и выпрямитель.

Система катуш ек, помимо излучения и измерения электро­ магнитного поля, обеспечивает его фокусирование для повышения глубинности метода, компенсацию прямых электромагнитных на­ водок в приемных катушках, измерение одновременно двумя зон­

30