Электрические методы ГИС

 

Электрические и магнитные методы исследования разрезов скважин включают модификации, основанные на изучении электромагнитных полей различной природы в горных породах. Электромагнитные поля делятся на естественные и искусственные. Естественные поля в земной коре обусловлены электрохимическими процессами, магнитно-теллурическими токами и другими явлениями. Искусственные электромагнитные поля создаются в горных породах генераторами постоянного и переменного тока различной мощности и представляют собой непосредственный результат деятельности человека.

Классификация электрических методов основана на характере происхождения изучаемого электромагнитного поля и его изменений во времени. По происхождению методы электрометрии делятся на методы естественного электромагнитного поля и методы искусственного электромагнитного поля. По частоте – на методы постоянного поля, квазипостоянного поля, переменного поля. Среди методов переменного поля различают низкочастотные и высокочастотные.

Для изучения стационарных естественных электрических полей применяют метод потенциалов собственной поляризации (ПС).

Искусственные стационарные и квазистационарные электрические поля исследуются методами кажущегося сопротивления (КС), микрозондирования (МЗ), сопротивления заземления (БК и МБК), методами регистрации тока (ТМ) и потенциалов вызванной поляризации (ВП).

Искусственные переменные электромагнитные поля изучаются индукционным (ИК), диэлектрическим (ДМ) и радиоволновыми методами.

Для определения удельного сопротивления горных пород в скважине используется источник тока, создающий в окружающей среде электрическое поле. Оно характеризуется напряженностью Е, которое является вектором, имеющим величину и направление. Работа, совершаемая силами электромагнитного поля при перемещении единичного положительного заряда из некоторой токи в бесконечно удаленную, численно равна электрическому потенциалу данной точки. За единицу принимается Вольт – разность потенциалов между двумя точками при постоянном токе 1 А, в котором затрачивается мощность 1 Вт. Геометрическое место точки постоянного потенциала называют эквипотенциальной поверхностью.

Распределение электрического поля в пространстве удовлетворяет 2 основным законам: закону Ома и закону Кирхгофа. Закон Ома: плотность тока в каждой точке проводника равна напряженности электрического поля в этой точке, деленной на удельное сопротивление вещества. Физическая сущность I закона Кирхгофа заключается в том, что какой-либо элемент объема не содержит источников, то сила тока, втекающего в этот объем равна силе тока, вытекающего из него.

 

Электропроводность и удельное электрическое сопротивление

 

Электропроводность горных пород зависит от их минерального состава и изменяется от 10⁸ до 10¹⁵ Ом·м, что соответствует первоклассным изоляторам. Проводимость основной группы осадочных пород определяется лишь присутствием природной воды в порах породы и удельное электрическое сопротивление изменяется от 10^-2 до 10 Ом·м.

Проводящая фаза – поровая вода – распределяется в породе по-разному. В большинстве случаев она заполняет целиком все поровое пространство породы, такие породы являются полностью водонасыщенными (К_в=100%). Встречаются породы, поры которых лишь частично заполнены водой – нефтеносные и газоносные пласты. Пластовые или поровые воды представляют собой сложные растворы электролитов, концентрация солей в этих растворов разнообразна и изменяется от единиц до 300 г/л. Удельное электрическое сопротивление таких растворов тем ниже, чем выше концентрация солей С и температура t. Для определения ρ_в – удельного сопротивления пластовой воды – используются экспериментальные графики ρ_в=f(C, t), полученными для растворов NaCl (см. номограмму в разделе «петрофизика горных пород»).

Если все поровое пространство насыщено водой, удельное электрическое сопротивление породы ρ_вп будет пропорционально удельному электрическому сопротивлению проводящей компоненты ρ_в, в то же время оно (ρ_вп) будет зависеть от объема воды, т.е. от К_п. ρ_вп=Р_п·ρ_в, Р_п – параметр пористости породы, зависящий от пористости К_п и типа порового пространства. Удельное электрическое сопротивление породы, поровое пространство которой частично заполнено нефтью, отличается от сопротивления той же породы, насыщенной пластовой водой в Р_н раз. . Р_н – параметр насыщения, он зависит от К_в.

 

Характеристика объекта исследования

 

D – диаметр зоны проникновения, d_скв – диаметр скважины, h_гк – толщина глинистой корки, ρ_гк – сопротивление глинистой корки, ρ_с – сопротивление бурового раствора, h – толщина пласта, ρ_пп – удельное сопротивление в промытой части коллектора, ρ_зп – удельное сопротивление зоны проникновения, ρ_п – неизмененное удельное сопротивление пласта-коллектора, А – стенка скважины, Б – граница между зоной проникновения и неизмененной частью пласта, ρ_вп – удельное сопротивление вмещающей породы.

При проходке скважины различные горные породы, находящиеся в контакте с буровым раствором удельным сопротивлением ρ_с изменяются неодинаково. Плотные монолитные породы с минимальной пористостью не претерпевают изменения, глинистые породы на контакте с буровым раствором, как правило, разбухают, размываются и выносятся буровым раствором. Наибольшими изменениями характеризуются пласты-коллекторы, обладающие значительными пористостью и проницаемостью. На стенке скважины образуется глинистая корка (h_гк и ρ_гк), а фильтрат бурового раствора попадает в пласт, создавая зону проникновения с диаметром D и ρ_зп. Между промытой зоной и стенкой скважины выделяется зона промытого пласта с удельным сопротивлением ρ_пп.

 

Определение границ и удельного сопротивления пластов

 

Величина кажущегося удельного сопротивления ρ_к, определяющая форму кривой КС, зависит от мощности пласта, типа и размера зонда и его положения относительно границ пластов. Условно принято считать пласт мощным, если его размер превышает размеры зонда (А2,0М0,5N – h > 2 м, А1,0М0,1N – h > 1 м). Если удельное сопротивление пласта соответственно больше или меньше удельного сопротивления вмещающей среды, то пласт квалифицируется как пласт высокого или низкого сопротивления.

Результаты расчета кажущегося удельного сопротивления для пласта неограниченной мощности представлены в виде кривых, выражающих зависимость ρ_к от определяющих его параметров:

- для непроницаемого пласта – от удельного сопротивления пласта ρ_п, удельного сопротивления бурового раствора ρ_с, диаметра скважины d_скв и длины зонда l_з;

- для проницаемого пласта при наличии зоны проникновения – добавляется еще два параметра – удельное сопротивление зоны проникновения ρ_зп и диаметр зоны проникновения D.

Расчеты теоретических обоснований производили Альпин, Комаров. Для расчета ρ_к эти кривые называются кривыми бокового каротажного зондирования БКЗ. Такие кривые, сгруппированные по определенному признаку, называются палетками БКЗ. Различают БКЗ двух основных типов: двухслойные и трехслойные. Двухслойные рассчитаны для условий, когда проникновение промывочной жидкости в пласт отсутствует – при этом возможны два случая: 1) сопротивление промывочной жидкости, заполняющей скважину меньше сопротивление пласта – соответствует палетка БКЗ-1А; 2) сопротивление промывочной жидкости больше сопротивления пласта – БКЗ-1Б.

Трехслойные кривые БКЗ рассчитаны для случая проникновения фильтрата бурового раствора в пласт, при этом в примыкающей к скважине части пласта образуется зона проникновения, условно принимаемая за цилиндрическую с диаметром D и удельным сопротивлением ρ_зп – промежуточное значение между ρ_с и ρ_п неизмененной части пласта. Трехслойные кривые БКЗ определяются пятью параметрами: ρ_п, ρ_зп, ρ_с, D, d_скв. При проникновении фильтрата промывочной жидкости в пласт возможны два случая: снижение удельного сопротивления (понижающее проникновение) и увеличение удельного сопротивления (повышающее проникновение).

БКЗ проводят для определения истинного удельного сопротивления пластов. Для этого используют подошвенные или кровельные градиент-зонды различной длины 0,65, 1,05, 2,25, 4,25, 8 м. Выделение пластов и уточнение их границ производят по совокупности всех кривых КС, полученных зондами различной длины с использованием диаграмм ПС, микрозондов, кавернограммы и кривых ГК и НГК. Кривая зондирования, построенная по средним значениям ρ_к, называется средним...

Различают теоретические (расчетные) и фактические кривые БКЗ. Полученную фактическую кривую БКЗ сопоставляют вначале с кривыми с двухслойной палетки БКЗ-1А, при этом бланк с фактической кривой БКЗ накладывают на палетку так, чтобы начало координат осей кривой и палетки совпадали. Если при этом фактическая кривая совмещается с одной из палеточных кривых или укладывается между ними, повторяя их форму, то в пласте нет проникновение промывочной жидкости и фактическая кривая БКЗ является двухслойной. В случае проникающего проникновения используются трехслойные кривые БКЗ.

 

Метод микрозондов. Микрокаротаж.

 

Микрокаротаж предназначен для выделения очень тонких пластов и исследования пород на небольшую глубину, поэтому размеры микроустановок меньше диаметра скважины. Для того, чтобы на показания МКЗ не оказывал влияние буровой раствор, электроды МКЗ размещают на башмаке, который прижимается к стенке скважины прессорной пружиной.

A0,025M0,0025N – МГЗ – микроградиент зонд.

А0,05М… - МПЗ – микропотенциал зонд.

Радиус исследования МГЗ равен его длине (примерно 4 см), а для МПЗ – удвоенной длине зонда (10-12 см). Эффективно используются при литологическом расчленении разреза и выделении коллекторов.

 

Диаграммы экранированных зондов. Боковой каротаж БК.

 

Под БК понимается каротаж сопротивления зондами с экранными электродами и фокусированным током. Различают БК, выполняемый многоэлектродными (7-9 электродов) и трехэлектродными зондами. Трехэлектродный зонд БК-3 состоит из трех электродов удлиненной формы: центральный А₀ и расположенные симметрично ему экранирующие А₁ и А₂. Результат измерения зондом БК относят к середине А₀. В трехэлектродном зонде ток, вытекающий из А₀ вследствие экранирования собирается в почти горизонтальный слой, имеющий форму диска, толщина которого примерно равна длине зонда.

Запись БК симметричная в отличие от МГЗ.

 

Микробоковой каротаж МБК

 

Он маленького размера, электроды также смонтированы на резиновом башмаке, который прижимается к стенке скважины. МБК служит для выделение тонких прослоев и оценивания удельного сопротивления промытой части пласта (ρ_пп).

 

Индукционный каротаж ИК

 

ИК является электромагнитным методом, основанном на измерении кажущейся удельной электропроводимости горных пород. Измерения при ИК осуществляют с помощью прибора, состоящего в наиболее простом виде из двух катушек: возбуждающей, которая питается переменным током, и приемной (измерительной). Последняя снабжена усилителем и выпрямителем. Зарегистрированная по стволу скважины кривая характеризует изменение удельной электропроводности в разрезе. Кривая ИК практически линейно отражает изменение проводимости среды, она соответствует перевернутой кривой КС. Удельная электропроводность измеряется в См/м. Сименс – проводимость проводника, имеющего сопротивление в 1 Ом. В отличие от БК, эффективно работающего в высокоомных разрезах, диаграммы ИК наиболее эффективны в низкоомных разрезах.

 

Метод потенциалов самопроизвольной поляризации ПС

 

В скважине, заполненной глинистым раствором или водой и вокруг нее самопроизвольно возникают электрические поля, названные самопроизвольной или собственной поляризацией (естественные потенциалы). Происхождение таких потенциалов в скважине обусловлено диффузионно-адсорбционными, фильтрационными и окислительно-восстановительными процессами, возникающими на границах пластов, различающихся по своим литологическим свойствам, и на контакте промывочной жидкости в скважине и пластов.

Измерение естественных потенциалов сводится к замеру разности потенциалов между электродом М, перемещаемым по скважине, и электродом N, находящимся на поверхности вблизи устья скважины.

Разность потенциалов ΔU_пс указывает на изменение электрического потенциала вдоль скважины. Она измеряется в мВ, mV. Обычно кривая ПС провидится вместе с двухметровым зондом. Оба вместе называются «стандартный каротаж». Величину амплитуды аномалий ПС ΔU_пс отсчитываю от линии глин, называемой условно нулевой линией. Наиболее благоприятен для изучения песчано-глинистый разрез.

 

Прочие электрометоды и комплексирование

 

К ним относят метод вызванных потенциалов ВП, диэлектрический каротаж ДК. Метод ВП предназначен для оценки свойств горных пород, чаще всего используется для выделений угольных и рудных пластов. ДК основан на измерении диэлектрической проницаемости горных пород для оценки фильтрационных параметров. Для сокращения производства геофизических работ применяют комплексирование электрометодов, когда одновременно за один спуск-подъем осуществляется измерение несколькими зондами.