Меню

Электрический метод исследования земли

Лекция 19. Скважинная геофизика 6.1 Электрические методы исследований скважин

Лекция 19. Скважинная геофизика

6.1 Электрические методы исследований скважин

Электрические методы исследования скважин (электрический каротаж) имеют много общего с методами электроразведки. Например, в скважинах, как и при наземных исследованиях, измеряются естественные электрические поля (ПС), геоэлектрохимические характеристики разреза: электродный потенциал (ЭП), вызванные электрические потенциалы (ВП) и электрофизические параметры при постоянном и переменном токах. Однако имеются отличия в методике и технике проведения работ и способах обработки материалов. Особенностью электрического каротажа является и то, что измерения могут выполняться лишь в необсаженных скважинах. Наличие бурового раствора или воды в стволе скважины искажает электрическое поле, что приходится учитывать при интерпретации результатов.

6.1.1 Аппаратура для электрического каротажа

Геофизические исследования скважин проводятся с помощью каротажных станций, смонтированных на автомашинах или вездеходах. В комплект каротажной станции входит оборудование, общее для различных видов каротажа, и специальное, которое применяется только при работах одним или несколькими родственными методами.

К общему оборудованию (рис.6.1) каротажной станции относятся: 1) источники питания; 2) приборы для регистрации разностей потенциалов и силы тока; 3) лебедка, работающая от двигателя автомобиля и предназначенная для спуска и подъема, каротажного кабеля в скважину; 4) блок-баланс, устанавливаемый вблизи скважины и предназначенный для направления кабеля в скважину и синхронной передачи глубины расположения индикатора поля на лентопротяжный механизм регистратора; 5) одножильный, трехжильный или многожильный кабель в хорошей изоляции.

Рисунок 6.1 – Схема электрического каротажа: АКС — автоматическая каротажная станция, К — каротажный кабель; 1-источний питания, 2-приборы для регистрации разности потенциалов и силы тока, 3-лебедка, 4-коллектор лебедки, 5-блок-баланс, 6-каротажный зонд, 7-глины, 8-пески, 9-известняки, 10-изверженные породы

Изолированные друг от друга жилы кабеля, с одной стороны, подключаются к кольцам коллектора лебедки, а с другой, к электродам каротажного зонда, т.е. устройства для измерения тех или иных параметров поля в скважине. В разных методах электрического каротажа меняется, как правило, лишь зонд. Простейшим является зонд, состоящий из одного, двух или трех свинцовых электродов, укрепленных на кабеле. Такие зонды используются в скважинах, заполненных буровой жидкостью или водой. При работах в сухих скважинах применяются скользящие электроды, каждый из которых состоит из металлической щетки, укрепленной в обойме из изолятора на плоской металлической пружине. Пружины такого «фонарного» зонда прижимают электроды к стенкам скважины.

В последнее время широко применяются микрозонды. В микрозонде три точечных электрода располагаются на планке из изолятора на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга (рис.6.2). Планка укреплена на плоской пружине фонаря, которая прижимает электроды к стенкам скважины.

Рисунок 6.2 – Общий вид микрозонда: 1-рессора фонаря, 2-планки из изолятора, 3-электроды, 4-провода, подключаемые к жилам кабеля

В скважинах глубиной до 100м электрический каротаж может выполняться либо в отдельных точках с помощью обычных электроразведочных приборов (ЭСК-1, АЭ-72), либо непрерывно с помощью автоматических регистраторов. Автоматический регистратор представляет собой устройство, позволяющее вести непрерывную регистрацию напряжения или силы тока на диаграммной бумаге (лента шириной 15-20см). В последние годы внедряется аппаратура в которой результаты измерений регистрируются на магнитных носителях.

В некоторых станциях, лебедки монтируются на отдельных автомашинах или тракторах. Эти установки называются самоходными подъемниками

6.1.2 Геоэлектрохимические методы каротажа

Метод естественного электрического поля. Каротаж методом естественного поля – простейший метод скважинных геофизических исследований. Естественные потенциалы (потенциалы собственной поляризации) возникают при окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессах, протекающих в различных горных породах. На интенсивность и знак потенциалов собственной поляризации кроме электрохимической активности пород большое влияние оказывает минерализация бурового раствора или воды, заполняющих скважину, а также разность давлений столба бурового раствора и давления в пласте. Измерение собственных потенциалов проводится двумя свинцовыми приемными электродами и полуавтоматическими или автоматическими регистраторами.

Каротаж ПС чаще всего выполняется методом потенциала, т.е. установкой, состоящей из одного неподвижного приемного электрода (N), заземленного вблизи устья скважины, и второго электрода (М), перемещаемого по скважине (рис.6.4).

Иногда, особенно при наличии электрических помех, сьемка ПС ведется методом градиента потенциала. В этом случае оба приемные электрода (M и N) передвигаются по скважине, а расстояние между ними остается постоянным (1-2м). В результате каротажа получаются графики естественных потенциалов, на которых могут наблюдаться положительные и отрицательные аномалии ПС, измеряемые в милливольтах. По аномалиям на диаграммах ПС выделяются пласты с разной электрохимической активностью. Однозначная литологическая интерпретация диаграмм ПС очень затруднена, так как естественное электрическое поле зависит от очень многих факторов как геологического, так и технического порядка. В разных условиях вблизи пластов одинакового литологического состава могут возникать аномалии ПС, не только отличающиеся по амплитуде, но даже противоположные по знаку. Однако чаще всего против глинистых пород наблюдаются положительные аномалии ПС, а около пористых проницаемых пластов (пески, трещиноватые известняки, песчаники) – отрицательные.

Читайте также:  Вспашка земли в прокопьевске

Рисунок 6.4 – Схема каротажа ПС способом потенциала с полуавтоматической регистрацией: а — схема установки: 1-ролик блок-баланса, 2-лебедка с коллектором, 3-электроразведочный потенциометр ЭП-1, 4-регистратор, 5-лентопротяжный механизм, соединенный гибким валиком (6) с роликом блок-баланса, 7-диаграммная бумага, 8-карандаш; б — диаграмма естественных потенциалов по стволу скважины: I и III – пласты со слабой электрохимической активностью; II и V – пласты с положительными аномалиями ПС, соответствующие глинистым породам; IV – пласт с отрицательной аномалией ПС, характерной для проницаемых слоев

Интенсивными аномалиями положительного и отрицательного знака выделяются сульфидные залежи, пласты антрацита, графита. Слабыми аномалиями (единицы милливольт) отличаются массивные, плотные, плохо проницаемые песчаники, известняки, изверженные породы.

По аномалиям ПС можно определить мощности пластов. Если мощность пласта в 2-4 раза больше диаметра скважины, то против его кровли и подошвы аномалия ПС равна половине максимальной, соответствующей центру пласта. Тонкие пласты выделяются узкими экстремумами.

Каротаж ПС служит для расчленения геологических разрезов и их корреляции по соседним скважинам, выявлении плохо проницаемых сланцев, глин и хорошо проницаемых песков, пористых известняков, выделения сульфидных, полиметаллических руд, угля, графита, оценки пористости и проницаемости пород.

Метод электродных потенциалов. Метод электродных потенциалов (МЭП) впервые предложен советскими исследователями , и . Применение его основано на наблюдаемом различии электродного потенциала у разных электронных проводников.

Например, по данным , алюминий, цинк, железо имеют высокий отрицательный электродный потенциал, соответственно равный -1,66;-0,76 и -0,44 в; свинец, олово — небольшой отрицательный потенциал порядка -0,13-1,14, а медь серебро — положительный потенциал +0,34 и +0,799в.

К природным электронным проводникам относится большинство сульфидов, а также графит и антрацит.

Сущность применения метода ЭП сводится к следующему. В скважину помещаются два металлических электрода, обычно по техническим соображениям изготовляемые из цинка. Один из них (скользящий электрод) в процессе наблюдения постоянно касается стенки скважины, другой (электрод сравнения) перемещается по оси скважины без соприкосновения с ее стенкой и, таким образом, все время находится в буровом растворе. На тех участках скважины, где нет электронных проводников, электродная разность потенциалов электродов в силу того, что они изготовлены из одного материала и находятся в однотипных электрических условиях, невелика и не превышает первых десятков милливольт. В других местах скважины, где скользящий электрод касается электронного проводника, наблюдается резкое возрастание электродной разности потенциалов, иногда до нескольких сот милливольт. Это объясняется тем, что в этих условиях мы имеем дело с потенциалом сложного электрода, состоящего из собственно скользящего электрода и электронного проводника (например, сульфидной руды). Дело в том, что если поверхность электронного проводника бесконечно велика по сравнению с поверхностью скользящего электрода, то измеряемый электродный потенциал практически равняется электродному потенциалу данного электронного проводника относительно электрода сравнения.

Наблюдения показывают, что величина аномалии МЭП зависит и от минерального состава электронного проводника.

Достоинство метода ЭП состоит в том, что им среди всех проводников электрического тока фиксируются только минералы (проводники) с электронной проводимостью, это значительно повышает эффективность электрического каротажа при выделении рудных горизонтов.

Метод гальванических пар. Применение метода гальванических пар (МГП) основано на изучении электрического поля, создаваемого в скважине нанесением на поверхность природного электронного проводника (сульфидная руда) следов электроотрицательного металла (железа или цинка).

След металла и сульфидная руда образуют в водной среде замкнутый гальванический элемент или гальваническую пару, в которой металл является анодом, сульфидная руда — катодом. Электрическое поле такой гальванической пары является кратковременным, его относительно большая интенсивность (до 700мв), отмечаемая в начальный момент времени, в дальнейшем быстро затухает вследствие явлений поляризации и электрохимического растворения отрицательного металла. Это приводит к тому, что регистрация электрического поля гальванической пары проводится сразу же за нанесением металла на электродный проводник. Применяемый для измерения зонд в верхней части имеет металлическое устройство, которое при подъеме зонда наносит черту металла на стенку скважины, т.е. на электронный проводник. Измерительные электроды, не касающиеся стенки скважины, расположены ниже этого устройства и тем самым сразу же нанесением черты производится непрерывная регистрация электрического поля гальванической пары.

Метод ГП позволяет решать задачу разделения сульфидных руд (или вообще природных электронных проводников) по минеральному составу. К настоящему времени метод ГП остается еще в стадии разработки.

Метод вызванной поляризации. Метод вызванной поляризации (ВП) основан на изучении искусственных вторичных стационарных электрических полей, происхождение которых связано с физико-химическими процессами, протекающими в породах в результате действия электрического тока на поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Способность горных пород поляризоваться под действием внешнего электрического поля, а после снятия его создавать в окружающем пространстве вторичное электрическое поле называется вызванной электрохимической активностью пород. Для измерения потенциалов ВП пород используются одно-, двух- и четырехэлектродные зонды. Наиболее совершенными из них четырехэлектродные потенциал-зонды. На рисунке 6.5 показаны схема измерения потенциала ВП (а) и градиента ВП (б) в скважинах. Методом ВП выделяются и изучаются рудные тела и угольные пласты среди вмещающих песчано-глинистых пород, которые отличаются высокой поляризуемостью. Наиболее эффективен метод ВП при выявлении месторождений вкрапленных сульфидных руд. На этих месторождениях он позволяет обнаружить рудные тела на расстоянии 50-60м от скважины.

Читайте также:  Красота родной земли в произведениях

В нефтяных и газовых скважинах методом ВП выделяются проницаемые интервалы в терригенных коллекторах, выявляются трещинные зоны в карбонатных разрезах. Существуют физические предпосылки определения коэффициента проницаемости пород по данным метода ВП с помощью корреляционной связи между этими параметрами полеченными для терригенных коллекторов в лабораторных условиях.

Методом ВП могут быть обнаружены интервалы прорыва пресных законтурных вод в процессе разработки нефтяных месторождений и выделены водоносные пласты в гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах.

Рисунок 6.5 – Схема измерения потенциалов ВП (а) и градиента ВП (б): РП1 и РП2 – регистрирующие приборы для записи кривых ВП и КС; П – пульсатор; Г – источник постоянного тока; Д – делитель напряжения; R1 = R2 = 5000 Ом

6.1.3 Электрофизические методы каротажа

Каротаж методом кажущихся сопротивлений. Скважинные исследования методом кажущихся сопротивлений (каротаж КС) основаны на расчленении пород по кажущемуся удельному электрическому сопротивлению. Метод аналогичен электрическому профилированию методом сопротивлений при наземной электроразведке. Кажущееся удельное сопротивление рассчитывают по формуле ρк = KΔU/I, где K – коэффициент установки (зонда), которой производится измерение. Обычно применяют четырехэлектродную установку AMNB, причем в скважину опускают три электрода AMN или ABM, а четырехэлектродный электрод B или N заземляют на поверхности вблизи устья скважины. Три электрода в скважине образуют каротажный зонд. Связь электродов AB с генератором постоянного тока и электродов MN с измерительной аппаратурой осуществляется с помощью многожильного кабеля. В зависимости от положения электродов различают следующие типы зондов (рис. 6.6).

Рисунок 6.6 – Типы каротажных зондов: а – однополюсные градиент-зонды, б – однополюсные потенциал-зонды, в – двухполюсные градиент-зонды, г – двухполюсные потенциал-зонды, x – точка записи ρк

Если в скважину опускают зонд с одним питающим электродом А, а второй питающий электрод В остается на поверхности, то такой зонд AMN называется однополюсным. Зонд ВAM называется двухполюсным, так как в скважину опускаются оба питающих электрода А и В, а на поверхности заземляется приемный электрод N. Расстояния между электродами одного назначения (парными) и электродами разного назначения (непарными) в зонде оказывают влияние на результаты измерений, поэтому различают потенциал-зонд и градиент-зонд. Потенциал-зондом называют зонд, в котором расстояние между парными электродами (MN в однополюсном или АВ в двухполюсном) в 5-10 раз превышает расстояние между непарными электродами AM. Расстояние между непарными электродами называется длиной потенциал-зонда LПЗ. Обычно LПЗ выбирают в зависимости от конкретных геологических условий в пределах 0,5-0,7м с условием AM≤(1/5 – 1/10) MN. Градиент-зондом называют зонд, у которого расстояние между парными электродами MN или АВ во много раз меньше расстояния между непарными электродами АМ. Длина градиент-зонда LГЗ определяется расстоянием АО от непарного электрода до середины между парными электродами. От величины АО зависит глубина исследований, которая тем больше, чем больше АО. Чаще всего LГЗ ≈ 2м.

Выделение границ пластов с различным электрическим сопротивлением зависит от расположения парных электродов относительно непарного, поэтому различают градиент-зонды подошвенный (П) и кровельный (К). В подошвенном зонде парные электроды рапсоложены ниже непарного. В кровельном зонде парные электроды находятся выше непарного электрода. Подошвенный градиент-зонд отчетливо фиксирует подошву пласта высокого сопротивления, кровельный – кровлю такого пласта.

Коэффициент трехэлектродного зонда. Рассчитывают по формуле:

K = 4πAM·AN/MN или K = 4πMA·MB/AB (6.1)

где АМ, AN, MB, MN, AB – расстояния между электродами, м; первая формула соответствует однополюсному, вторая – двухполюсному зондам.

Полученное значение ρк относят к центру между сближенными электродами, т.е. потенциал-зондом измеряют ρк для центра между непарными электродами АМ; градиент-зонд дает значение ρк для центральной точки между парными электродами MN или АВ. На величину удельного электрического сопротивления, полученную при измерении градиент-зондом, оказывают влияние породы, лежащие вокруг скважины в радиусе, равном размеру градиент-зонда АО. Этот радиус называется радиусом (глубиной) исследования градиент-зонда. Для потенциал-зонда радиус исследования в 2 раза больше его размера, т.е. равен 2АМ.

Интерпретация данных КС заключается в визуальном выделении на диаграммах КС аномалий ρк, по которым определяют глубину залегания пластов с высоким или низким удельным электрическим сопротивлением и их мощность (рис. 6.7).

Рисунок 6.7 – Кривые ρк против пластов большой мощности для различных типов зондов: 1 – для потенциал-зонда, 2 – для градиент-зонда (подошвенного), 3 – для градиент-зонда (кровельного); удельное сопротивление: ρо – вмещающих пород, ρ1 – пласта высокого сопротивления, ρ2 – пласта низкого сопротивления

Читайте также:  Естественный источник излучения земли

Форма кривых и их характер зависят не только от сопротивления и мощности слоев, но и от диаметра скважины, минерализации бурового раствора или воды, заполняющей скважину, радиуса проникновения жидкости в поры породы, а следовательно, от пористости пород и разности давлений жидкости в пласте и скважине. Характер кривой зависит также от типа и размера зонда, с помощью которого получена диаграмма, от соотношений размера зонда с мощностью слоев в стенках скважины.

Метод скользящих контактов (МСК) разработан и . Заземление состоит из одной или нескольких щеток, установленных на изоляторах. Щетки с помощью специальных устройств прижимаются к стенке скважины. Такая конструкция заземления снижает влияние промывочной жидкости на величину сигнала, поэтому сопротивление заземления определяется главным образом удельным сопротивлением породы, к которой прижимаются щетки. Поскольку размеры щеток малы, их сопротивление гораздо выше сопротивления остальной цепи (Ra»∑R), и сила тока изменяется значительно резче, чем в обычном способе регистрации тока. В связи с этим кривая изменения тока метода скользящих контактов позволяет достаточно уверенно выделять границы пластов различного удельного сопротивления (рис.6.8).

Например, пласты антрацита и сульфидов, обладающие высокой электропроводностью, отмечаются на кривых метода скользящих контактов (и обычного токового метода) положительными аномалиями, соответствующими увеличению силы тока.

В методе скользящих контактов, как в обычном методе регистрации тока, записывается кривая изменения разности потенциалов ΔU на эталонном сопротивлении R0. Величина разности потенциалов обусловлена изменением силы тока в цепи АВ.

Метод скользящих контактов нашел широкое применение при исследовании разрезов рудных скважин, а также некавернозных интервалов угольных скважин.

Рисунок 6.8 – Кривые метода скользящих контактов обычного токового метода и кавернометрии в разрезе угольной скважины (а) (по , Донбасс) и кривая метода скользящих контактов в разрезе рудной скважины (б) (по , Прииртышское рудное поле); 1-антрацит, 2-углистый аргиллит, 3-аргиллит, 4-песчаник, 5-сулбфиды, 6-хлорито-серицитовые сланцы, 7-вкрапленники сульфидов в сланцах

6.1.4 Электромагнитный каротаж

Для изучения электрических свойств горных пород (проводимости, диэлектрической проницаемости) наряду с электрическим широко применяется электромагнитный каротаж, основанный на измерении элементов электромагнитного поля. Практическое применение находят диэлектрический и особенно индукционный каротаж.

Электромагнитный каротаж может применяться также в скважинах с непроводящей промывочной жидкостью или отсутствием промывочной жидкости. В этих условиях он является единственным источником информации об электрических свойствах пород.

Индукционный каротаж (ИК) основан на измерении напряженности переменного магнитного поля, возбужденного в породах, и предназначен для изучения их удельной электропроводности (удельного сопротивления).

Наиболее простой зонд ИК состоит из генераторной и измерительной катушек, расположенных соосно на расстоянии, равном длине зонда. Через генераторную катушку пропускают переменный ток с частотой несколько десятков килогерц. Создаваемое этим током первичное переменное магнитное поле возбуждает в окружающей среде вихревые токи и вторичное магнитное поле. Первичное и вторичное магнитные поля индуцируют в измерительной катушке электродвижущую силу Е, первичная составляющая Е1 которой компенсируется, а вторичная Ег регистрируется.

Так как сила тока в генераторной катушке постоянна, наведенная в измерительной катушке ЭДС Ег будет расти примерно пропорционально удельной электропроводности среды, окружающей зонд:

(6.2)

где gк и rк — соответственно кажущаяся удельная электропроводность и сопротивление среды, К — коэффициент зонда, зависящий от его длины, параметров катушек и питающего тока.

В современной аппаратуре ИК применяют фокусированные зонды ИК, которые, кроме генераторной и измерительной катушек, содержат дополнительные фокусирующие катушки. Фокусирующие катушки снижают влияние вмещающих пород, скважины и зоны проникновения на показания зонда.

В результате ИК получают кривую кажущейся электропроводности gк по скважине, записанную в линейном масштабе мСм/м, что соответствует кривой рк в гиперболическом масштабе (рис.6.9).

Рисунок 6.9 – Кривые ИК и стан-дартного каротажа в песчано-глинистом разрезе: 1-известняк, 2-аргиллит, 3-алевролит, 4-песчаник водонасыщенный, 5-песчаник нефтенасыщенный

Начало шкалы gк соответствует rк =∞. Кривая rк растянута при низких значениях rк, а при высоких, наоборот, сжата. Благодаря этому, по данным ИК надежно определяется rк пластов низкого сопротивления, а против пород высокого сопротивления кривая сглажена. При rп >50 Ом·м достоверность данных ИК падает.

При высокой электропроводности среды линейная зависимость между Е и gк нарушается из-за взаимодействия вихревых токов (так называемого скин-эффекта). При интерпретации данных ИК скин-эффект, а также влияние вмещающих пород, скважины и зоны проникновения исключаются при помощи палеток.

По сравнению с другими зондами ЭК зонды ИК обладают большим радиусом исследования при повышающем проникновении в пласты-коллекторы. Изменяя длины зонда и число фокусирующих катушек, радиус исследования зондов ИК можно изменять, сохраняя приемлемую расчленяющую способность по мощности (единицы метров).

Основная область применения ИК — определение rп пластов в скважинах с пресной промывочной жидкостью, когда возможно только повышающее проникновение. Наилучшие результаты ИК дает в песчано-глинистых разрезах с небольшим удельным сопротивлением пластов (rп

Источник