Геофизика

7.2.1. Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации

7.2.2. Каротаж потенциалов вызванной поляризации

7.2.3. Удельное электрическое сопротивление водных растворов и горных пород

7.2.4. Каротаж сопротивления нефокусированными зондами

7.2.5. Каротаж сопротивления фокусированными зондами — боковой каротаж

7.2.6. Индукционный каротаж

7.2.7. Диэлектрический каротаж

7.2.8. Микрокаротаж

* * *

При исследовании скважин методами электрометрии (электрический и электромагнитный каротаж) наибольшее распространение получили следующие методы:

• потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП);

• потенциалов вызванной поляризации (ВП);

• сопротивления, проводимого с помощью зондов без фокусировки тока, — метод кажущегося сопротивления (КС) и зондов с фокусировкой тока — метод бокового каротажа (БК);

• индукционного каротажа (ИК);

• диэлектрического каротажа (ДК).

Электрометрические методы исследования скважин отличаются как по характеру происхождения изучаемого электромагнитного поля, так и по его изменению во времени — частоте. По первому признаку методы делятся на две группы — естественного (ПС) и искусственного электромагнитного поля (ВП, КС, БК, ИК, ДК). По второму — на методы постоянного (квазипостоянного) тока (ПС, ВП, КС, БК) и переменного тока (частота от несколько десятков кГц и выше, ИК, ДК). По характеру создаваемого в скважине поля индукционный и диэлектрический каротаж являются разновидностями электромагнитного каротажа, а все остальные методы можно назвать методами электрического каротажа. Такое деление в известной мере условно, так как в основе тех и других методов лежат общие законы электромагнитного поля.

Об основных электромагнитных свойствах горных пород сказано в главе 3.

7.2.1. Каротаж потенциалов самопроизвольной поляризации

Метод потенциала ПС. Принципиальная схема метода ПС показана на рис. 7.3 а. Она содержит электроды M и N и измерительный прибор, измеряющий разность потенциалов между ними (∆UПС). Электрод N заземляют на поверхности около устья скважины, а электрод М помещают в скважину.

Рис. 7.3. Схема для измерения ПС:

а — потенциала ПС; б — градиента ПС; РП — прибор, регистрирующий ПС;
КП — компенсатор поляризации

В процессе каротажа электрод M перемещают по скважине снизу вверх. Величину ∆UПС можно представить в виде

где UM и UN — потенциалы естественного электрического поля в точках M и N; UэM и UэN — электродные потенциалы электродов M и N, возникающие при погружении электродов в водный раствор; UτM и UτN — потенциалы электродов M и N, вызванные промышленными или теллурическими токами.

Явление самопроизвольно возникающего в скважине и около нее естественного электрического поля называется самопроизвольной поляризацией и обозначается сокращенно ПС (или СП). Замкнутые токовые линии поля ПС обычно идут так, как схематично показано на рис. 7.4, и отражают изменение потенциала поля ПС — ход кривой ПС изменения потенциала электрода M.

Рис. 7.4. Поле токов ПС и кривая изменения потенциала по оси скважины — кривая ПС:

1 — песчаный пласт; 2 — глина; 3 — линия глин; 4 — статическая кривая ПС

Потенциалы UэM и UэN неизвестны, однако в этом методе применяют специальные электроды, потенциалы которых остаются практически постоянными в процессе измерения. Электрод N неподвижен, поэтому его потенциал UN также остается постоянным, и, как правило, выполняется условие: UэM << UM и UэN << UN. Следовательно, возникающая разность потенциалов ∆UПC будет отличаться от значения UM на постоянную величину:

.

Поскольку постоянная величина (const) не несет никакой полезной информации и может принимать в разных скважинах отличные значения, в измерительном канале метода предусмотрен компенсатор поляризации (см. рис. 7.3 а). С его помощью в канал вносят такую компенсационную разность потенциалов, чтобы отклонение кривой оставалось в пределах чувствительности измеряющего устройства. Поэтому диаграмма ∆UПС, в отличие от других методов каротажа, не имеет нулевой линии, и в качестве условного нуля на практике принимают обычно крайнее правое отклонение диаграммы, которое отвечает глинам — линия глин. От линии глин отсчитывают величину ∆UПС. На диаграммах ПС указывают направление отсчета ∆UПС и масштаб записи в мВ (см. рис. 7.4). Результат измерений относят к электроду М — точке записи ПС.

Метод градиента потенциалов ПС. Если условие UэM << UM или UэN << UN не выполняется, например, в неглубокой скважине, расположенной недалеко от промышленных предприятий, то электрод N размещают в скважине на небольшом расстоянии от электрода M и перемещают одновременно с ним (рис. 7.3 б). Такой способ регистрации называется методом градиента потенциала ПС. В этом случае UэM – UэN ≈ 0, и если UτM – UτN ≈ 0, то разность измеряемых потенциалов будет практически равна UM – UN. Так как расстояние L = MN мало, то значение UM – UN ≈ L · ∂(UO)/∂L, где UO — потенциал естественного электрического поля в точке O, расположенной посередине между M и N. Поэтому, проинтегрировав полученные значения UM – UN, можно в результате получить кривую ∆UПС, каждая точка которой отнесена к точке записи O.

Образование естественных потенциалов. Основная причина появления потенциалов ПС связана с физико-химическими процессами, протекающими на поверхности раздела «скважина — порода» и между пластами различной литологии. Потенциалы ПС создаются в результате: 1) диффузии солей из пластовых вод в промывочную жидкость или наоборот, а также адсорбции ионов на поверхности минеральных частиц горной породы; 2) фильтрации вод из промывочной жидкости в породы или наоборот; 3) окислительно-восстановительных реакций, имеющих место на контактах электронопроводящих материалов с водным раствором (см. 3.1.2).

Пластовые воды и промывочная жидкость (ПЖ) являются в основном растворами хлористого натрия, причем обычно пластовые воды являются более концентрированным раствором. Поэтому далее для простоты изложения и не ограничивая общности, будем считать, что это растворы незначительной концентрации NaCl при t = 20 °C.

Диффузионно-адсорбционная активность. Как известно из электрохимии, при непосредственном контакте двух растворов электролита различной концентрации возникает процесс диффузии ионов из раствора большей концентрации — С1 (моль/л) в раствор меньшей концентрации С2 (моль/л). При этом в растворе хлористого натрия радиус гидратированных (окруженных полярными молекулами воды) ионов Cl– примерно в 1,5 раза меньше радиуса гидратированных ионов Na+. Поэтому подвижность (практически скорость диффузии) первых больше вторых. В результате осмотического давления на границе растворов со стороны раствора концентрации С2 образуется устойчивый во времени объемный отрицательный заряд, а в растворе концентрации С1 — положительный, и возникнет отрицательная ЭДС, называемая диффузионным потенциалом. Для двух (одновалентных бинарных) растворов разной концентрации величина этой ЭДС равна:

,

где KД — коэффициент диффузионного потенциала (мB); ρ1 и ρ2 соответственно — удельные электрические сопротивления (УЭС) растворов. Значение коэффициента KД зависит от химического состава электролита и температуры. Для раствора NaCl при t = 20 °C коэффициент KД = –11,6 мВ.

Предположим теперь, что два раствора различной концентрации разделены перегородкой (называемой часто мембраной) из горной породы. В этом случае также будет происходить диффузия солей и возникнет диффузионная ЭДС, называемая мембранной, или диффузионно-адсорбционным потенциалом самопроизвольной поляризации:

,

где KДА и АДА — коэффициенты, характеризующие соответственно величину диффузионно-адсорбционного потенциала и диффузионно-адсорбционную активность горной породы. Лабораторными работами установлено, что значения KДА или АДА зависят от литологии горной породы, из которой состоит перегородка. Так, для песков, песчаников и многих карбонатных пород, не содержащих глинистого материала (чистых пород) и для которых характерны капилляры с большим радиусом, коэффициент KДА мало отличен от коэффициента KД контакта двух свободных растворов, т. е. АДА = 0 мВ и KДА = KД = –11,6 мВ. Для перегородки же из глинистой породы (глина, аргиллит, сланец), у которой радиус капилляров очень мал, коэффициент KДА резко изменяет знак и величину. Для высокодисперсной глины АДА = 69,6 мВ, а KДА = 58 мВ. Причиной этого явления служит изменение механизма диффузии ионов, который объясняется следующим образом.

Рассмотрим неглинистую, пористую перегородку (мембрану) с порами большого радиуса и представим единичную пору в виде капилляра. В поре будет наблюдаться двойной электрический слой (ДЭС), а вне него слой свободного раствора (рис. 7.5 а). ДЭС состоит из внутренней и внешней обкладок. Внутренняя обкладка представляет собой поверхность твердой фазы, заряженной, как правило, отрицательно. Например, в результате реакции SiO2 + H2O = SiO3–– +2H+ внутренняя обкладка будет заряжена отрицательно (SiO3–). Распределение ионов во внешней обкладке будет обусловлено одновременным действием сил электростатического поля заряженной поверхности твердой фазы и молекулярно-кинетического движения в растворе. Внешняя обкладка представлена двумя слоями:

• адсорбционным слоем — слоем неподвижных адсорбированных противоионов, т. е. ионов знака, противоположного знаку внешней обкладки. В нашем примере это ионы H+, однако в силу молекулярно-кинетического движения ионы H+ частично заместятся на ионы Na+. Толщина слоя составляет одну-две молекулы;

• диффузным слоем — слоем диффузно распределенных в объеме тех же противоионов, но относительно подвижных (в нашем примере ионы H+ и Na+), и ионов Cl–. Причем концентрация ионов Cl– в единице объема, начиная от свободного раствора до адсорбционного слоя, будет постоянно убывать, а концентрация ионов Na+, наоборот, возрастать. В целом число катионов в объеме диффузного слоя будет значительно превышать число анионов. Слой имеет толщину, значительно большую толщины адсорбционного слоя.

Двойной электрический слой, как и свободный раствор, является электронейтральным. Ионы диффузного слоя способны перемещаться, но их подвижность в несколько раз меньше подвижности ионов свободного раствора. Так как толщина ДЭС по сравнению с радиусом поры пренебрежимо мала, то в процессе диффузии будет участвовать практически только свободный раствор. Поэтому на границе перегородки с раствором концентрации С1 и внешнего раствора меньшей концентрации С2 образуется стабильный объемный отрицательный заряд, на другой границе — положительный заряд (см. рис. 7.5 а), и возникает ЭДС с АДА = 0 мВ, как и при непосредственном контакте двух свободных растворов электролита различной концентрации.

Рис. 7.5. Схема переносов ионов в широком (а) и узком капиллярах (б)
(по И. Н. Жукову, О. Н. Григорьеву):

1 — адсорбционный слой; 2 — диффузный слой; 3 — свободный раствор;
4 и 5 — мембраны с широкими и узкими капиллярами; 6 — направление диффузии

Подобное происхождение двойной электрический слой имеет в случае пористой перегородки с ультратонкими капиллярами, характерными для глинистых пород (рис. 7.5 б). Однако из-за малого радиуса пор удельная поверхность твердых частиц, составляющих породу, будет большой, и ДЭС займет практически всю часть объема пор, т. е. адсорбционная активность породы окажется максимальной. Так как ионов Cl– в диффузном слое значительно меньше, чем ионов Na+, то последние и примут основное участие в процессе диффузии. В результате на границе раствора меньшей концентрации появится стабильный объемный положительный заряд и возникнет такая ЭДС, что АДА = 69,6 мВ.

В общем случае для горной породы, насыщенной раствором, возникающая ЭДС будет обусловлена ионами, поступающими как из диффузионного слоя, так и из свободного раствора. При этом с увеличением содержания глинистого материала в породе ионы Na+ диффузного слоя будут все больше участвовать в диффузии, роль свободного раствора уменьшаться, а коэффициент АДА стремиться от 0 мВ к 69,6 мВ.

Величина ∆UПC напротив центра песчаника, отсчитанная от линии глин, примет значение (–11,6 – 58)lg(ρФ/ρВ) мВ = –69,6lg(ρФ/ρВ) мВ и совпадет со статическим значением ЕПС, которое отражает амплитуду изменения поля ПС и отсчитывается также от линии глин в предположении отсутствия тока в контуре (см. рис. 7.4). Величина ЕПС представляет наибольший практический интерес, однако в связи со скважинными условиями (диаметр скважины, зона проникновения, мощность пласта и др.) ее значение отличается от регистрируемой величины ∆UПC. Часто (терригенные разрезы) значение ЕПС удается восстановить по палеточной зависимости.

Фильтрационная активность. При перепаде давления на концах капилляра раствор электролита будет содержать не только свободный раствор в канале, но и ионы диффузного слоя. В начале капилляра количество перемещенных обычно катионов (реже анионов) окажется больше количества анионов (катионов), и возникнет электрический ток. Ток приведет к образованию на выходе из капилляра положительного заряда, тормозящего дальнейшее движение катионов. В результате на концах капилляра возникнет стабильная разность потенциалов — потенциал фильтрации. На практике это означает, что при превышении давления в скважине, создаваемого столбом бурового раствора, над поровым или пластовым давлением раствор из скважины потечет в пласт и на стенке скважины возникнет отрицательный потенциал, в противном случае — положительный. Величина потенциала фильтрации прямо пропорциональна величине перепада давления и УЭС бурового раствора. Поэтому, например, наиболее значительные потенциалы, достигающие нескольких десятков мВ, возникают при сравнительно пресных буровых растворах.

На явлении фильтрационной физико-химической активности основано определение мест притоков и поглощений жидкости в скважине. Реально измеряемая величина ∆UПC зависит от сложного сочетания диффузионно-адсорбционных потенциалов. Условно можно считать ∆UПC = α ⋅ A, где α — электрохимическая активность среды и фильтрата, зависящая от диффузионно-адсорбционных и фильтрационных факторов, а A — коэффициент влияния основных потенциалобразующих причин (разностей УЭС, давлений при движении подземных вод и др.) (см. 3.1).

Окислительно-восстановительная активность. При наличии в разрезах скважин рудных минералов (сульфиды, окислы), проводящих ток углей и графита в присутствии подземных вод проходят окислительно-восстановительные реакции. В результате возникают окислительно-восстановительные потенциалы (∆UОВ). Их интенсивность и знак будут зависеть от состава минералов, минерализации подземных вод и бурового раствора. В целом прослои руд и углей в разрезах скважин выделяются более высокими ∆UОВ, чем ∆UДА.

Задачи, решаемые методом ПС. С помощью метода ПС решаются разнообразные задачи.

В нефтегазовых скважинах, где естественное электрическое поле имеет в основном диффузионно-адсорбционное происхождение, метод ПС позволяет:

1) осуществить литологическое расчленение терригенных и карбонатных разрезов по степени глинистости (рис. 7.6);

Рис. 7.6. Кривые потенциала ПС при различных соотношениях
УЭС фильтрата промывочной жидкости (ρФ)
и пластовой воды (ρВ) (по Д. И. Дьяконову):

I — ρФ > ρВ; II — ρФ < ρВ; 1 — глина, 2 — глина песчаная, 3 — песок,
4 — песок глинистый, 5 — песчаник, 6 — мергель,
7 — известняк, 8 — известняк глинистый

2) выделить нефтегазовые коллекторы и водоносные горизонты. Так как в нефтегазовых пластах количество соленой воды меньше, чем в водоносных, то отклонение кривой ∆UПC в первых породах будет несколько меньше, чем во вторых;

3) в случае терригенных пород часто удается получить корреляционные зависимости между двойным разностным параметром αПС = EПС/Emax, где Emax — максимальное значение статической EПС, и фильтрационно-емкостными свойствами горных пород, определяемыми коэффициентами пористости, глинистости и проницаемости;

4) определить минерализацию пластовой воды (CП) в чистых терригенных или карбонатных породах с помощью метода двух растворов. В этом случае, проведя измерения при ПЖ разной минерализации (C1 и С2), получают систему:

где КДА и СП — неизвестные.

Метод ПС, основанный на фильтрационных потенциалах, применяется при решении гидрогеологических задач для выделения водонапорных горизонтов.

В рудных и угольных скважинах величины естественных полей обусловлены, как правило, окислительно-восстановительными потенциалами. Поэтому метод ПС используют для расчленения и корреляции разрезов, выделения пластов углей и руд (см. 3.1.2).

Метод неэффективен при малой разности концентрации солей в пластовой воде и ПЖ, т. к. в этом случае регистрируемая ЭДС становится близкой к нулю. В скважинах, пробуренных на РНО, метод ПС неприменим.

Таким образом, метод ПС является одним из основных методов электрометрии скважин. Он входит в комплекс исследований нефтегазовых, инженерно-геологических, гидрогеологических, рудных и угольных скважин.

7.2.2. Каротаж потенциалов вызванной поляризации

В методе вызванной поляризации (ВП) применяются различные зонды.

Простейшая двухэлектродная установка — AM — потенциал-зонд — состоит из опуска­емых в скважину питающего электрода A и одного измерительного электрода М. Электрод A соединяют токопроводящим кабелем с электродом B, заземленным на поверхности. Между электродами подключают генератор тока, который вырабатывает прямоугольные импульсы длительностью T. Второй измерительный электрод — N также заземляют на земной поверхности. С помощью цепи АВ создается первичное, внешнее (поляризующееся) электрическое поле, оно возбуждает в приемных электродах разность потенциалов (∆U). Одновременно при пропускании тока в горных породах создается вторичное (остаточное) электрическое поле вызванной поляризации (∆UВП(t)), возрастающее при включенном токе и быстро спадающее после выключения. Через короткий промежуток времени после разрыва токовой цепи во время t0 регистрируют величину ∆UВП(t0), в которую будет входить и разность потенциалов (∆UПС), измеряемую дополнительным зондом ПС. В результате рассчитывается потенциал ВП, исправленный за естественные потенциалы в скважине (см. 3.1.2 и 3.1.3).

На практике используют также установку AMNB — градиент-зонд. Отличие от потенциал-зонда ВП состоит только в том, что, как и в методе градиента потенциалов ПС, электрод N помещают в скважину (|AM| << |MN|). Аналогично измеряют разность потенциалов в приемных электродах при пропускании тока (∆U) и величину ∆UВП(t0). Однако такой зонд позволяет при достаточной мощности источника практически исключить значения естественных потенциалов (∆UПС). В результате вычисляют кажущуюся поляризуемость породы (или кажущуюся вызванную активность породы): ηK = АВк = 100∆UВП(t0)/∆U (в %). В интервале выключения токовой линии для уточнения природы вызванной поляризации возможна регистрация спадающей во времени кривой ∆UВП(t).

Образование вызванных потенциалов. В основе явления ВП лежат сложные физические и электрохимические процессы. Электрохимические процессы характерны для пород с электронной и ионной проводимостями. У пород с электронной проводимостью (сульфиды, окислы, графит, антрацит) вызванная поляризация возникает главным образом вследствие окислительно-восстановительных процессов между проводящими ток минералами и соприкасающимися с ними растворами солей. У пород с ионной проводимостью — в результате как деформации ДЭС, так и в результате диффузии ионов ДЭС из участков с повышенной их концентрацией в зоны пониженной концентрации из-за чередования широких и узких капилляров (см. 3.2.1).

Решаемые задачи. Высокие значения поляризуемостей рудных электронопроводящих минералов (сульфиды железа, меди, никеля), а также магнетита и графита определяют основную область применения метода ВП. Даже редкая вкрапленность таких минералов, занимающая несколько процентов объема породы, обусловливает высокие значения поляризуемости породы ηK (10–20 %). Против глин, а также чистых очень пористых или сильно кавернозных известняков и доломитов показания ВП характеризуются наименьшими значениями. Значение ВП против названных разностей пород принимают за условный нуль и относят к ним все замеренные значения вызванных потенциалов.

7.2.3. Удельное электрическое сопротивление водных растворов и горных пород

Первыми по времени создания и наиболее часто применяющимися являются электрические методы каротажа, основанные на измерении удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород (см. 3.1.3). В электрическом каротаже УЭС обозначается ρ.

Удельное электрическое сопротивление водных растворов солей. Удельное электрическое сопротивление, имеющее размерность Ом · м (ом-метр), и величина, обратная УЭС ,— удельная электрическая проводимость (γ = 1/ρ), измеряемая в См/м (Сименс на метр), у горных пород зависят от УЭС минерального скелета и заполняющих их подземных вод.

Минералы, слагающие матрицу (скелет) горной породы могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Большинство породообразующих минералов являются диэлектриками, практически не влияющими на сопротивление породы. В осадочных породах незначительные примеси высокопроводящих рудных минералов обычно слабо влияют на УЭС породы. В таких породах УЭС определяется количеством содержащихся в порах воды и ее минерализацией.

Удельное сопротивление пластовой воды ρВ является важным интерпретационным параметром. Оно, как и для фильтрата ПЖ на водной основе, зависит от химического состава, концентрации солей и температуры. Пластовые воды представляют собой сложные растворы электролита. Наиболее распространенными солями являются хлориды натрия, кальция и магния. Обычно NaCl составляет 70–95 % общего количества солей. Чем выше концентрация солей, тем ниже ρВ воды и, соответственно, породы. С повышением температуры удельное сопротивление водных растворов понижается, так как подвижность ионов возрастает. Общую минерализацию пластовых вод приравнивают к минерализации раствора NaCl, и при заданной температуре УЭС раствора определяется по формуле

,

где — УЭС раствора при t = 20 °С, t — температура (°С), α — температурный коэффициент, зависящий от химического состава раствора (°С–1). Для электролита NaCl = 0,63 Ом ∙ м при концентрации 10 г/л, α = 0,022 °С–1.

Информацию об УЭС пластовой воды получают с помощью химических анализов образцов добытой воды, путем анализа диаграмм ПС, из каталогов вод. Минерализация пластовых вод нефтегазовых месторождений изменяется от 5 до 300 г/л и выше.

Удельное электрическое сопротивление чистых пород межзернового типа. Для чистой неглинистой породы с межзерновой пористостью, поры которой на 100 % заполнены минерализованной водой, удельное электрическое сопротивление (ρВП) определяется значением ρВ; удельным объемом насыщающего раствора, т. е. коэффициентом пористости породы (kП); геометрией порового пространства и других свойств. Чтобы исключить влияние ρВ, рассматривают отношение

,

которое называют относительным электрическим сопротивлением, или параметром пористости. В широком диапазоне значений ρВ значение РП для конкретной породы — константа. Так как в общем случае геометрия емкостного пространства коллекторов сложна и разнообразна, то на практике для связи РП и kП используют так называемую первую эмпирическую формулу Арчи — Дахнова:

.

Константы am и m определяются экспериментально на образцах пород (кернах). Показано, что am = 0,8–1, а m изменяется от 1,3 (для песков) до 2,3 (для сцементированных пород). Если нет фактических данных, полагают am = 1 и m = 2.

Удельное электрическое сопротивление глинистых пород. Фильтрационно-емкостные и многие другие свойства терригенных коллекторов существенно зависят от содержания в породе глинистого материала, его свойств. Содержание глинистого материала, как правило, является решающим фактором при разделении пород на коллекторы и не коллекторы. В случае рассеянной глины (глина рассеяна в породе, частично заполняя межгранулярные поры) ее содержание выражают следующими параметрами: 1) массовая глинистость (СГЛ = МГЛ/М, где МГЛ — масса глинистой фракции, частиц с диаметром менее 0,01 мм, М — полная масса скелета породы); 2) объемная глинистость (kГЛ — объем глинистых частиц к объему всей породы); 3) относительная глинистость (µГЛ = kГЛ/(kГЛ + kП)). Удельное сопротивление глинистых пород определяется не только проводимостью воды, но и поверхностной проводимостью глинистых частиц, обеспечивающейся подвижными ионами диффузного слоя. Поэтому в глинах, диаметры капилляров которых соизмеримы с толщинами диффузных слоев, роль поверхностной проводимости особенно значительна, и УЭС тонкодисперсных глин не превышает 30–40 Ом ∙ м даже при насыщении их прес­ной водой. Поверхностная проводимость снижает УЭС глинистой породы, и ее влияние особенно заметно при насыщении породы слабоминерализованной водой. Для учета поверхностной проводимости используют коэффициент поверхностной проводимости П = РК/РП, где РК и РП — параметры пористости породы, насыщенной соответственно слабоминерализованной и высокоминерализованной водами (П ≤ 1). Существует зависимость коэффициента П от ρВ и массовой глинистости породы (СГЛ). Рассеянная глинистость, равномерно распределенная в объеме, снижает kП и проницаемость породы. Однако если глина находится в виде гранул или зерен в матрице породы, то это мало влияет на фильтрационно-емкостные свойства породы. Роль глинистого материала в формировании карбонатных коллекторов менее значительна. Кроме рассеянной глинистости выделяют слоистую глинистость, заключающуюся в тонком переслаивании глинистых прослоев и коллекторов (см. ниже микрослоистая порода). Обычно в породе преобладает глинистость одного вида.

Удельное электрическое сопротивление трещиноватых и кавернозных пород. В сложных карбонатных, некоторых терригенных коллекторах кроме межзерновых пор присутствуют трещины, каверны и крупные пустоты выщелачивания. Коэффициент пористости таких коллекторов можно представить в виде

,

где V, VП, МЗ, VТ, VКАВ — соответственно объемы породы, межзерновых пор, трещин и каверн; kП, kП, МЗ, kТ, kКАВ — соответственно коэффициенты общей пористости, межзерновой (или блоковой), трещинной и кавернозной.

Присутствие трещин резко снижает значение РП, так как трещины представляют собой поры с очень простой геометрией. Ориентация трещин также оказывает значительное влияние. Наличие каверн мало изменяет величину РП, однако коэффициент kП возрастает. Для определения параметра пористости трещинно-кавернозных пород имеются соответствующие уравнения, в которые в связи с наличием блоковой пористости включены уравнения Арчи — Дахнова.

Удельное электрическое сопротивление нефтегазоносных пород. Для таких пород удельное сопротивление зависит от относительного объема пор, занятых водой. Этот параметр называют коэффициентом водонасыщения (kВ). Относительный объем пор, занятых нефтью или газом, характеризуют коэффициентом нефтегазонасыщения (kНГ): kНГ + kВ = 1. Поскольку в нефтегазонасыщенной породе часть пор занята диэлектриком — нефтью или газом, количество воды в ней уменьшается и УЭС возрастает, что может служить идентифицирующим признаком нефтегазового коллектора. Для учета различных факторов, влияющих на величину УЭС нефтегазоносных пород, используют коэффициент увеличения сопротивления (РН). Коэффициент РН равен отношению удельного сопротивления породы (ρНГ), поры которой заполнены нефтью или газом и водой, к удельному сопротивлению (ρВП) этой же породы при 100 %-ном заполнении ее пор водой такой же минерализации и температуры:

.

В результате экспериментальных исследований получена вторая эмпирическая формула Арчи — Дахнова:

.

Параметр РН называют также параметром насыщения. Часто полагают an = 1. Нижняя граница значений n – 1 (например, кавернозная порода), верхняя — 2 и выше (например, трещиновато-кавернозная порода). Для межзерновых гидрофильных коллекторов (терригенных и карбонатных), хорошо сцементированных и слабоглинистых, значение 1,8 < n < 2.

Влияние давления на удельное электрическое сопротивление пород. При определении всестороннего давления, действующего на осадочные породы, предполагают, что оно создано весом вышележащих пород — горным или геостатическим давлением (PГ). Разность между горным давлением (PГ) и поровым (пластовым) (PПОР) называют эффективным давлением, действующим на скелет породы: PЭФ = PГ – PПОР. Экспериментальные исследования показали, что с увеличением PГ пористость и электропроводность пород уменьшаются, а после снятия — восстанавливаются. Увеличение относительного удельного сопротивления происходит наиболее интенсивно до PГ = 30–40 МПа. Параметр пористости обычно определяют на кернах при атмосферном давлении. В скважинах глубиной <1500 м величины относительного электрического сопротивления, полученные на кернах при пластовых давлениях и в лаборатории при атмосферном давлении, практически совпадают. В более глубоких скважинах необходимо вводить соответствующие поправки.

Удельное электрическое сопротивление микрослоистой породы. В слоистых горных породах (сланцевые глины, глинистые сланцы, каменные угли, мергели, тонкочереду­ющиеся песчано-глинистые породы) в направлении напластования УЭС ρl меньше, чем в перпендикулярном направлении к напластованию ρn. Такие породы называются электрически анизотропными. Для оценки степени анизотропии используют коэффициент анизотропии: λА = (ρn/ρl)0,5 (обычно λА < 2).

7.2.4. Каротаж сопротивления нефокусированными зондами

Схема установок и зонды в методе КС. Для изучения удельного электрического сопротивления горных пород в необсаженных скважинах обычно используют трехэлектродную (нефокусированную по току) установку (зонд) AMN (рис. 7.7 а). Электроды A, M, N на специальном многожильном кабеле опускают в скважину, электрод B заземляют на поверхности около скважины. Электроды A и B являются питающими, или токовыми, через них пропускают ток силой I (мА), который создает электрическое поле в скважине и окружа­ющей ее породе. Электроды M и N служат для измерения разности потенциалов (∆U (мВ)). При перемещении зонда по скважине величина ∆U изменяется в зависимости от изменения УЭС горных пород (ρ). Чтобы на измеренное ∆U не оказывали влияние естественные потенциалы, через питающие электроды пропускают квазипостоянный ток частотой от десятков до сотен герц. Можно показать (см. 3.1.2), что удельное сопротивление (ρ) изотропной и однородной среды определяется по формуле: ρ = k ∆U/I, где k = 4π · AM · AN/MN — коэффициент скважинного зонда, а AM, AN, MN — расстояния между соответствующими электродами. Поскольку среда вокруг скважины неоднородна, измеряемое на практике ρ называют кажущимся удельным сопротивлением (ρК), а метод называют методом кажущегося сопротивления (КС). Под кажущимся удельным сопротивлением понимают показание зонда в однородной изотропной проводящей среде с ρ = ρК, которое соответствует показанию в данной неоднородной среде.

Рис. 7.7. Принципиальная схема измерения кажущегося
удельного сопротивления пород в скважине:

a — однополюсный зонд; б — двухполюсный зонд; Г — генератор тока; R — реостат;
РП — прибор для измерения разности потенциалов; мА — миллиамперметр

Наряду с рассмотренной установкой применяют также зонд вида MAB (рис. 7.7 б), в котором токовые и измерительные электроды меняются местами: A ↔ M и B ↔ N (электрод N расположен на поверхности). Можно показать, что результат измерения при этом останется прежним, если сохранить расстояния между электродами. С помощью такого зонда удобно одновременно регистрировать ρК и ∆UПС. Установку MAB называют зондом взаимного питания (или двухполюсным зондом, так как два токовых электрода расположены в скважине), установку AMN — зондом прямого питания (или однополюсным зондом).

В зависимости от соотношения расстояний между скважинными электродами различают градиент-зонд и потенциал-зонд. Установку, у которой AM >> MN (MA >> AB для двухполюсного зонда), называют градиент-зондом (рис. 7.8), так как замер ρК таким зондом сводится к измерению градиента потенциала электрического поля: (∆U/MN)MN→0 = E, где E — компонента напряженности электрического поля вдоль оси скважины. Точку O, расположенную посередине между парными электродами (М и N или А и В) принимают за точку записи, т. е. результат замера ρК относят к ней. Длиной градиент-зонда (L) называют расстояние от точки O до непарного электрода. В случае AM << MN (MA << AB для двухполюсного зонда) установку называют потенциал-зондом (см. рис. 7.8), так как при MN = ∞ UN = const и ∆U = UM — const, т. е. кажущееся сопротивление определяется потенциалом электрода M. За точку записи принимают точку O, расположенную посередине между электродами A и M, за длину потенциал-зонда (L) — расстояние между электродами A и M.

Рис. 7.8. Типы зондов КС. Электроды:

1 — измерительный; 2 — питающий; 3 — точка записи

Градиент-зонд и потенциал-зонд называются подошвенными (последовательными), если у них парные электроды располагаются ниже непарного, и кровельными (обращенными), если наоборот. Размеры зондов записываются по обозначениям скважинных электродов в порядке их расположения сверху вниз, указывая между ними расстояния в метрах. Например, A1,0M0,1N — последовательный градиент-зонд, длина зонда 1,05 м.

Для сравнительной оценки глубины исследования зондом используют термин радиус исследования зонда — радиус шара с центром в точке A (или M — для зонда взаимного питания), расположенного в однородной безграничной среде и влияющего на измерения так же, как и часть среды вне шара. Радиус исследования градиент-зонда примерно равен его длине (L), а для потенциал-зонда — в несколько раз больше его длины.

Кривые кажущегося сопротивления в пластах большой мощности. В качестве примера на рис. 7.9 приведены кривые кажущегося удельного сопротивления — ρК(H), где H — глубина, для различных типов зондов, рассчитанные в предположении малости радиуса скважины. Если однородный пласт высокого сопротивления и большой мощности залегает среди однородных пластов, имеющих одинаковое небольшое удельное сопротивление (например, коллектор, расположенный среди глин), а мощность пласта существенно превосходит длины зондов, то, как показывают расчеты, кривые для кровельного и подошвенного потенциал-зондов совпадают. Из рисунка 7.9 видно, что кривые для градиент- и потенциал-зондов существенно отличаются. Кривая для кровельного градиент-зонда является зеркальным отражением кривой для подошвенного градиент-зонда относительно горизонтальной линии, проходящей через середину пласта. У потенциал-зонда кривая симметрична относительно той же линии. Для подошвенного и кровельного градиент-зондов соответственно подошва и кровля пласта высокого удельного сопротивления отмечаются по максимуму кривой, причем на практике для тонких пластов способ определения границ не изменяется. В случае потенциал-зонда подошва пласта расположена ниже начала подъема кривой на L/2, а кровля — выше конца спуска кривой на L/2. Из рисунка 7.9 также видно, что значение кажущегося ρК, снятое в середине пласта высокого удельного сопротивления для зондов, совпадает с истинным. На практике кривые ρК часто представляют в трех различных линейных масштабах, относящихся как 1 : 5 : 25, т. е. если вся кривая в первом масштабе не укладывается в размеры диаграммы, то те ее части, которые выходят за пределы диаграммы, представляют во втором и третьем масштабах (см. рис. 7.9).

Рис. 7.9. Кривые для потенциал-зонда (а), подошвенного (б)
и кровельного (в) градиент-зондов в пласте большой мощности; 1 — ρП; 2 — ρК

В общем случае форма фактической кривой ρК усложняется, и ее вид зависит не только от типа зонда, но и от значений диаметра скважины (dC), диаметра зоны проникновения фильтра бурового раствора (D), мощности пласта (h), удельных сопротивлений бурового раствора (ρС), зоны проникновения (ρЗП), вмещающих пласт пород (ρВМ) и неизменной части пласта (ρП). Поэтому для количественного изучения коллекторов нашел широкое применение следующий метод.

Боковое каротажное зондирование. Поскольку глубинность исследования определяется длиной зонда, то можно провести зондирование среды в радиальном (боковом) направлении. Для этого нужно вести измерения зондами различной длины. Если пласт имеет достаточную мощность, то на показания зондов малой длины в значительной степени будет оказывать влияние УЭС околоскважинного пространства, а на больших зондах — УЭС неизмененной части пласта. Методика КС с разными зондами получила название бокового каротажного (или электрического) зондирования (БКЗ). В настоящее время в БКЗ используются, как правило, градиент-зонды, так как их радиус исследования в 2–2,5 раза меньше, чем у потенциал-зондов и на них меньше влияют вмещающие породы. Обычно применяют комплект из пяти зондов: A0,4M0,1N; A1,0M0,1N; A2,0M0,5N; A4,0M0,5N; A8,0M1,0N. Данный набор дополняют зондом N0,5M4,0A, служащим для уточнения границ пластов, значением dC и кривой ρС по скважине. В результате для каждого исследуемого пласта по пяти зондам получаются значения ρКi. С помощью специальных приемов их приводят к значениям ρКi∞ для случая пласта бесконечной мощности. Далее строят кривую по пяти точкам: ρК∞/ρС = f(L/dC). Применяя специальные палетки, которые представляют набор кривых ρК∞/ρС = f(L/dC) c различными отношениями ρП/ρС и фиксированными отношениями D/dC и ρЗП/ρС, ведется интерпретация и находятся искомые значения D, ρЗП и ρП.

Задачи, решаемые методом КС. Чтобы иметь сопоставимые данные, все измерения во всех скважинах одного и того же района работ проводят обычно стандартным комплексом, который включает регистрацию кривой ПС и кажущихся сопротивлений потенциал- и градиент-зондами. В стандартный зонд для нефтегазовых скважин, например, часто входят потенциал-зонд A0,5M6,0N и градиент-зонд A2,0M0,5N. Стандартный каротаж — простейший комплекс ГИС, использующийся для литологического и стратиграфического расчленения разреза, выделения пластов-коллекторов и определения водонефтяного контакта (ВНК).

С помощью метода БКЗ определяют количественные характеристики коллекторов: коэффициенты пористости, нефтегазонасыщенности, зольности. Метод также позволяет различить три вида проникновения фильтрата бурового раствора в пласт: 1) повышающее проникновение, когда ρЗП > ρП; 2) понижающее проникновение — ρЗП < ρП; 3) отсутствие проникновения — ρЗП ≈ ρП. Наличие зоны проникновения характеризует проницаемость пласта. Метод БКЗ дает хорошие результаты при изучении мощных или уединенных тонких пластов плотных и пористых с межгранулярной пористостью пород.

Метод БКЗ не находит применения в случаях, когда: 1) ρП/ρС > 200, так как существенная часть тока ответвляется в скважину и погрешности определения ρП начинают превышать допустимые; 2) пласт отличается малой мощностью и ρП/ρВМ > 20, так как значительная часть тока ответвляется во вмещающую породу. Поэтому для изучения пластов большого удельного электрического сопротивления было предложено направлять ток в исследуемый пласт с помощью фокусировки. Эта идея была реализована в боковом каротаже (см. 7.2.5).

7.2.5. Каротаж сопротивления фокусированными зондами — боковой каротаж

Каротаж зондом с фокусировкой тока называют также боковым каротажем (БК). Различают БК, выполняемый с трех-, семи- и девятиэлектродными зондами (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Схемы зондов БК:

а — трехэлектродный (БК-3); б — семиэлектродный;
в — девятиэлектродные (левая и правая части русунка).
Схематичное распределение токовых линий в скважине (а) и однородной среде (б, в)

Зонды бокового каротажа. Трехэлектродный зонд (БК-3) состоит из трех цилиндрических, удлиненной формы электродов A0, A1, A2 (см. рис. 7.10 а). Экранирующие электроды A1 и A2 располагаются симметрично относительно центрального электрода A0. Между электродами располагается изолятор. Через электроды пропускают квазипостоянный ток так, чтобы потенциалы всех электродов были одинаковы (электрод B заземлен на поверхности как обычно или расположен в скважине). Это часто достигают с помощью соединения электрода A0 с электродами A1 и A2 через малое сопротивление (0,01 Ом), которое одновременно используется для измерения силы тока (I0) через центральный электрод. Так как потенциалы всех электродов равны, то токовые линии от центрального электрода образуют почти горизонтальный слой, имеющий форму диска. Разность потенциалов (∆U) измеряется между электродом A0 и удаленным от зонда электродом N. Результат измерения относят к середине электрода A0. Кажущееся удельное сопротивление определяют по формуле ρК = k ∆U/I0, где k — коэффициент зонда, зависящий от его геометрических характеристик.

Семиэлектродный зонд состоит из центрального электрода A0 и симметрично расположенных относительно него двух пар контрольных электродов M1, N1 и M2, N2 и одной пары экранирующих электродов A1, A2 (см. рис. 7.10 б). Симметричные одноименные электроды попарно соединены между собой. Применяют электроды небольшого размера (точечные) или кольцевые. Через центральный электрод A0 пропускают ток I0, который поддерживается все время постоянным. Через электроды A1 и A2 пропускают ток IЭ той же полярности, который в процессе передвижения зонда по скважине автоматически регулируется таким образом, что ∆UM1N1 = ∆UM2N2 = 0. Таким образом, ток I0 распространяется в радиальном направлении на значительное расстояние с толщиной пучка, примерно равной длине зонда (L — расстояние между серединами отрезков M1N1 и M2N2). Расстояние между экранирующими электродами A1 и A2 называют общей длиной зонда (Lобщ). Параметр q = (Lобщ – L)/L называют коэффициентом фокусировки зонда. С увеличением параметра q уменьшается влияние ближней зоны, но возрастает влияние мощности пласта, и наоборот. Разность потенциалов (∆U) определяют между одним из электродов M1 или N1 и удаленным электродом N. Результат измерения относят к середине электрода A0. Коэффициент зонда (K) определяют расчетным или опытным путем. Примеры записи зондов: Lобщ3,0q4,0 и Lобщ1,2q1,0.

Девятиэлектродный зонд состоит из девяти электродов. В отличие от семиэлектродного зонда он имеет дополнительную пару удлиненных экранных электродов B1 и B2 такой же полярности (см. рис. 7.10 в, левая часть). Этим обеспечивается больший радиус исследования при небольшом влиянии вмещающих пород. Для уменьшения радиуса исследования те же электроды B1 и B2 используют как электроды обратной полярности, через которые замыкают цепь тока I0 и IЭ (см. рис. 7.10 в, правая часть). Такую модификацию БК называют псевдобоковой. Пример обозначения девятиэлектродного зонда: LB3,0Lобщ1,2q1,0, где первая цифра — расстояние между электродами B1 и B2.

Кривые БК против пластов конечной мощности. Зонды БК являются потенциал-зондами с фокусировкой тока, поэтому их диаграммы в принципе подобны диаграммам нефокусированных потенциал-зондов. Однако на диаграммах БК пласты, в том числе пласты малой мощности, выделяются гораздо более четко, чем на диаграммах зондов без фокусировки тока. Влияние мощности пласта начинает сказываться при h = 4dС. Принципы отбивки границ пластов и снятия характерных показаний в основном те же, что и для нефокусированных потенциал-зондов. Кривые БК на диаграммах часто представляют в логарифмическом масштабе.

Задачи, решаемые БК. Боковой каротаж — более совершенный метод, чем метод КС, для разрезов с понижающим проникновением фильтрата бурового раствора в пласт, с заполнением скважины достаточно соленым раствором (ρС < 0,1 Ом ∙ м), для изучения разрезов, сложенных породами высокого удельного сопротивления, а также при исследовании пластов малой мощности. Зонды БК обладают более высокой расчленяющей способностью. В результате обычно удается хорошо обработать пласты мощностью до 1 м.

7.2.6. Индукционный каротаж

Индукционные методы (ИК) относятся к электромагнитным методам ГИС и заключаются в возбуждении в породах переменного электромагнитного поля частотой от десятков кГц до десятков МГц и последующей регистрации определенных параметров этого поля.

В отличие от электрических, электромагнитные методы не требуют наличия проводящей промывочной жидкости (ПЖ), поэтому их можно применять в сухих скважинах, в скважинах, заполненных непроводящей жидкостью (пресная вода, РНО), и при обсадке пластиковыми трубами. Однако предполагается наличие немагнитной среды, что на практике обычно выполняется. Корпуса приборов выполняют из немагнитного материала.

Зонды ИК. В самом простом варианте зонд ИК состоит из двух катушек индуктивности — генераторной (Г) и приемной (П), расположенных на определенном расстоянии друг от друга на непроводящем стержне (рис. 7.11 а). В зондах ИК расстояние между центрами генераторной (главной) и приемной (основной) катушек принимают за длину зонда (L), а точкой записи (О) обычно считается середина расстояния между катушками. Электронная схема прибора обеспечивает питание катушки Г переменным током частоты 20–50 кГц в зависимости от прибора. Переменный ток, протекая по катушке Г, создает в окружающей среде первичное переменное магнитное поле (рис. 7.12). Это поле порождает в окружающем пространстве вихревые токи (явление электромагнитной индукции). В однородной среде линии вихревых токов представляют собой окружности с центрами, расположенными на оси прибора. Вихревые токи, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле (явление самоиндукции). Таким образом, первичное и вторичное магнитные поля создают в приемной катушке ЭДС. Созданная первичным полем ЭДС не несет информации о горных породах, поэтому ее компенсируют (исключают из измерения), например, с помощью компенсационной катушки К, включенной «навстречу» приемной катушке П (рис. 7.11 б). На практике зонды ИК содержат большее число катушек, обеспечивающих фокусировку поля в пласт. Зонды ИК обозначают как 6Ф1,0; 8И1,4; 4Ф1,0 и т. д. Первая цифра обозначает число катушек, вторая — длину зонда. В результате зондами ИК измеряют удельную кажущуюся проводимость: γК = 1/ρК = E/KИ, где E — величина ЭДС в приемной катушке, KИ — коэффициент зонда, зависящий от параметров катушек, силы и частоты тока и определяемый опытным путем, например, в баке с водой.

Рис. 7.11. Cхема зонда ИК без компенсации (а) и с компенсацией (б) первичного поля

Рис. 7.12. Зонд ИК. Линии вихревых токов (1);
силовые линии первичного (2) и вторичного (3) магнитного поля

Форма кривой и кажущейся электрической проводимости. На рисунке 7.13 показаны кривые ИК, полученные зондом 6Ф1,0 для одиночного пласта конечной мощности. Видно, что кривые симметричны относительно середины пласта. При h >1,5 м подошва и кровля пласта отбиваются по середине аномалии. Влияние вмещающих пород значительно меньше, чем для других методов сопротивления. Для зондов 8И1,4; 4Ф1,0 кривые несимметричны. Значение кажущейся проводимости (γК) определяют против середины пласта — максимальное или минимальное. В случае неоднородного пласта показания γК против середины пласта осредняют. Результаты измерений ИК обычно представляют в логарифмическом масштабе.

Рис. 7.13. Кривые кажущейся проводимости для зонда 6Ф1,0:

a — пласт высокого сопротивления (ρП = 50 Ом · м, ρЗП = 5 Ом · м);
б — пласт низкого сопротивления (ρП = 5 Ом · м, ρЗП = 50 Ом · м).
Шифр кривых — мощность пласта (h) в метрах

Задачи, решаемые методом ИК. Метод ИК целесообразно применять при малых отношениях ρП/ρC и повышающей зоне проникновения, а также при больших значениях ρC. Эффективность использования метода значительно снижается в случае ρП > 50 Ом ∙ м, понижающем проникновении и ρC < 0,1 Ом ∙ м. В целом с помощью индукционного каротажа детально изучают разрезы, сложенные породами низкого удельного сопротивления: глины, песчаники и карбонаты, насыщенные сильноминерализованной пластовой водой, рудоконтролирующие и угленосные слои. Метод широко применяют для выделения и изучения нефтегазовых коллекторов в скважинах, пробуренных на слабоминерализованных и непроводящих промывочных жидкостях, обсаженных непроводящими трубами. Метод ИК часто применяют в комплексе с обычными зондами КС или зондом БК.

Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ). Зонд ВИКИЗ представляет собой комплекс из пяти трехкатушечных зондов разной длины, состоящих каждый из генераторной катушки и двух приемных катушек (рис. 7.14): Г1П1П2, Г2П2П3, Г3П3П4, Г4П4П5 и Г5П5П6. Расстояние между центрами генераторной и удаленной измерительной катушек называется длиной зонда (L), расстояние между центрами приемных катушек — базой зонда (∆L). Все катушки расположены на непроводящем стержне. Для каждого трехкатушечного зонда измеряемой величиной является разность фазы ∆φ гармонического магнитного поля частоты f, наведенного в приемных катушках от генераторной: ∆φ = (πfγк)0,5L.

Рис. 7.14. Зонд ВИКИЗ:

Г1 (частота питания 14 МГц), Г2 (7 МГц), Г3 (3,5 МГц),
Г4 (1,75 МГц), Г5 (0,875 МГц) — генераторные катушки;
П1, П2, П3, П4, П5, П6 — приемные катушки;
L1 = 0,5 м, L2 = 0,7 м, L3 = 1,0 м, L4 = 1,4 м, L5 = 2,0 м — длины трехкатушечных зондов;
∆L1 = 0,1 м, ∆L2 = 0,14 м, ∆L3 = 0,20 м, ∆L4 = 0,28 м, ∆L5 = 0,4 м — базы зондов

В теории ВИКИЗ установлено, что разность фаз слабо зависит от влияния скважины даже на больших частотах (до 15 МГц). Таким образом, измерение разности фаз позволяет исключить влияние скважины и сохранить хорошее вертикальное разрешение по γ. С другой стороны, применение высоких частот повышает уровень регистрируемого сигнала и расширяет диапазон определяемых γ, а различные длины зондов позволяют осуществить электрическое зондирование среды в радиальном направлении.

С помощью метода ВИКИЗ определяют пять различных значений кажущейся удельной проводимости, по которым и проводится интерпретация. Зонд ВИКИЗ обычно объединяют с зондом ПС.

Задачи, решаемые методом ВИКИЗ. Методом ВИКИЗ решаются те же задачи, что и зондами ИК. Однако верхняя граница диапазона определяемых ρП повышается до 200 Ом ∙ м, а также появляется возможность проводить измерения в скважине с более низким удельным сопротивлением ρС (до 0,02 Ом ∙ м). Для определения диаметра зоны проникновения (D), ее удельного сопротивления (ρЗП) и удельного сопротивления неизменной части пласта ρП метод ВИКИЗ в отличие от ИК не требует привлечения других методов электрометрии. Причем в гидрофильных нефтегазовых коллекторах удается выделить так называемую окаймляющую зону, образующуюся из-за вытеснения в первую очередь нефти, а затем пластовой воды.

7.2.7. Диэлектрический каротаж

Диэлектрический каротаж (ДК) — электромагнитный метод, основанный на измерении кажущейся диэлектрической проницаемости породы.

Зонды ДК. Аппаратура ДК представляет собой один трехкатушечный зонд, аналогичный рассмотренному в методе ВИКИЗ (одна генераторная катушка и две сближенные приемные катушки). Длина зонда — L = 0,8–1,0 м, база — ∆L = 0,2–0,3 м. В приемных катушках определяют, как правило, также относительную разность фаз (∆φ) наведенного гармонического поля. Однако используемые рабочие частоты значительно выше (f = 40–60 МГц). Для таких частот в случае немагнитной среды, если выполняется условие 2πfεА/γ >> 1 (обычно для пород с γ < 0,02 См/м), можно показать, что ∆φ = 2πf (εА)0,5∆L. Следовательно, можно определить кажущуюся относительную диэлектрическую проницаемость среды: ε = εА/ε0 (ε0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума). Если γ > 0,02 См/м, то для выполнения условия 2πfiεА/γ >> 1 могут применять зонды с рабочей частотой до 1000 МГц. Это приводит к сильному уменьшению регистрируемого сигнала, в связи с чем длину зонда снижают до нескольких сантиметров и прижимают прибор к стенке скважины.

Задачи, решаемые методом ДК. Малая база зонда и высокая частота определяют четкое выделение пластов с малыми и высокими значениями ε. Интерпретация данных ДК после введения поправок за скважинные условия в измеренную кажущуюся ε основывается на приближенном выражении: ε = (1 – kП)εСК + (kВεВ + kНГεНГ) kП, где kП, kВ, kНГ — коэффициенты пористости, водонасыщенности и нефтегазонасыщенности соответственно; εСК, εВ, εНГ — диэлектрические проницаемости твердой фазы (скелета), воды и нефти или газа. Для основных породообразующих минералов εСК = 4–8, для нефти εНГ = 2–3, для газа εНГ = 1–2. Относительная диэлектрическая проницаемость воды (εВ) зависит от ее минерализации и значительно — от температуры. С ростом температуры от 20 °С до 100 °С значение εВ падает от 80 до 50. Благоприятными условиями применения метода ДК являются, как и для ИК, скважины с пресной промывочной жидкостью или РНО. Метод можно применять в скважинах, обсаженных стеклопластиковыми трубами. При изменении водонасыщенности коллектора (например, при заводнении) наблюдается изменение диэлектрической проницаемости. Наблюдая за изменением ε, можно прослеживать заводнение пласта, контролировать положение водонефтяного контакта (ВНК) и определять текущие значения kВ и kНГ. Метод может быть использован для изучения глинистости пород, так как наличие глинистого материала и, следовательно, увеличение содержания связанной воды приводит к повышению диэлектрической проницаемости. Недостатком метода является небольшой радиус исследования (0,4–0,6 м), поэтому при зоне проникновения с большим диаметром данные замеров отражают эту зону.

7.2.8. Микрокаротаж

Микрометоды электрического каротажа предназначены для измерения удельного сопротивления части пласта, непосредственно прилегающего к стенке скважины. Микрометоды делятся на микрокаротаж (МКЗ — микрозондирование) (проводят с помощью микроаналогов потенциал- и градиент-зондов без фокусировки тока) и боковой микрокаротаж (МБК) (проводят с помощью микроаналогов зондов БК). Различают также резистивиметрию — определение удельного сопротивления промывочной жидкости. Все коэффициенты зондов определяют только экспериментально.

Зонды микрокаротажа. Микрозонд представляет собой установку небольшого размера (рис. 7.15 а). Она состоит из башмака, выполненного из изоляционного материала (например, резины). На внешней стороне башмака расположены три точечных электрода — N, М и А, расстояние между которыми обычно выбирают равным 2,5 см. Внешняя сторона башмака специальной пружиной (рессорой), соединенной с металлическим корпусом прибора, прижимается к стенке скважины, обеспечивая экранирование зонда от бурового раствора и снижение влияния скважины на результаты измерений. Зонд N0,025M0,025A образует обращенный градиент-микрозонд (МГЗ), а зонд M0,05A — потенциал-микрозонд (МПЗ), у которого электродом N служит корпус прибора. Запись двух кривых КС проводят одновременно и обычно представляют в трех различных линейных масштабах, относящихся как 1 : 5 : 25.

Рис. 7.15. Схемы микрозондов и распространение
у них токовых линий в промытой зоне:

а — обычный зонд, сочетающий потенциал- (МПЗ) и градиент- (МГЗ) зонды;
б — боковой двухэлектродный зонд (МБК); I — вид спереди; II — вид сбоку;
1 — электроды; 2 — изоляционный башмак; 3 — глинистая корка; 4 — порода

Задачи, решаемые обычными микрозондами. Микрозонды используют для детального расчленения разрезов. Широкое применение микрозонды нашли при выделении проницаемых пород. Радиус исследования МПЗ в 2–2,5 раза больше его длины и составляет 10–12 см, радиус исследования МГЗ примерно 3,5 см. Поэтому образующаяся в коллекторах глинистая корка влияет на показания МПЗ меньше, чем на показания МГЗ. Так как удельное сопротивление глинистой корки меньше, чем промытой зоны, то показания МГЗ в проницаемых пластах меньше, чем для МПЗ. Это служит важным диагностическим признаком коллектора, причем в нефтегазонасыщенных породах расхождение в показаниях микрозондов может быть еще более значительным за счет влияния остаточной нефтегазонасыщенности на показания МПЗ. Из-за наличия глинистой корки показания микрозондов, как правило, нельзя использовать для количественного изучения зоны проникновения. С этой целью применяют микрозонды с фокусировкой тока.

Зонды бокового микрокаротажа. Различают двух-, трех- и четырехэлектродные зонды. На практике часто используют двухэлектродный зонд (рис. 7.15 б). Он состоит из центрального электрода (A0) и экранного (AЭ), которые занимают всю рабочую поверхность башмака размером около 200 × 100 мм. Между электродами находится тонкий изоляционный промежуток. Результаты измерений принято представлять в логарифмическом масштабе. Диаграммы, как и у обычных потенциал-зондов, симметричны относительно центра пласта.

Задачи, решаемые МБК. В методе МБК токовые линии пересекают практически под прямым углом слой между башмаком и породой. Это значительно повышает разрешающую способность по вертикали. Измеренное значение удельного сопротивления промытой зоны (ρЗП) (до 200 Ом ∙ м) позволяет определить остаточную нефтегазонасыщенность в промытой зоне и тем самым примерно оценить неизвлекаемые запасы углеводородов. Результаты измерений широко используются в комплексе с другими методами электрометрии для определения ρП. Благодаря высокой вертикальной разрешающей способности зонды применяют для оценки наклонов пластов. Скважинный прибор — пластовый наклономер — содержит обычно несколько расположенных по окружности прижимных устройств, на каждом из которых размещают зонд БМК или ИК небольшой длины. По вертикальному сдвигу диаграмм зондов находят наклон пласта, а по показаниям встроенного также в скважинный прибор инклинометра (см. 7.7.1) — азимут угла падения пласта.

Резистивиметрия. В наиболее простом случае резистивиметр представляет собой центрированный (не прижатый к стенке скважины) микроградиент-зонд с кольцевыми электродами A, M и N, образующими градиент-микрозонд малой длины. Значения ρС используются для интерпретации данных электрического каротажа, других методов ГИС. При контроле технического состояния скважины резистивиметрия позволяет выделить интервалы притока пластового флюида или поглощения бурового раствора путем понижения или повышения давления на пласт.