Файл: В. Н. Косков геофизические исследования.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.11.2023

Просмотров: 329

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.1. Электрические и электромагнитные методы исследования
скважин
Существуют различные модификации электрических и электромаг- нитных методов исследования разрезов скважин, основанные на изучении электромагнитных полей различной природы в горных породах. Электро- магнитные поля делятся на естественные и искусственные. Естественные поля в земной коре обусловлены электрохимическими процессами, магни- тотеллурическими токами и другими природными явлениями. Искусствен- ные электромагнитные поля создаются в горных породах генераторами по- стоянного или переменного тока различной мощности и представляют со- бой непосредственный результат деятельности человека, направленный на изучение строения земной коры, поиск, разведку и разработку месторож- дений [4, 6, 8, 12].
Классификация электрометодов исследования скважин основана на характере происхождения изучаемого электромагнитного поля и его изме- нении во времени. По происхождению методы электрометрии делятся на две большие группы – естественного и искусственного электромагнитного поля, а по частоте – на методы постоянного, квазипостоянного и перемен- ного поля. Среди методов переменного поля различают низко- и высокоча- стотные.
Для изучения стационарных естественных электрических полей при- меняются методы потенциалов собственной поляризации (ПС) горных по- род. Искусственные стационарные и квазистационарные электрические поля исследуются методами кажущегося сопротивления (КС), микрозон- дирования (МЗ), сопротивления заземления (БК и МБК), методами реги- страции тока (ТМ) и потенциалов вызванной поляризации (ВП). Искус- ственные переменные электромагнитные поля изучаются индукционными
(ИК), диэлектрическими (ДМ) и радиоволновыми методами.
Для определения удельного сопротивления горных пород в скважине используется источник тока, создающий в окружающей среде электриче- ское поле. Допустим, что в неограниченную проводящую среду при помо- щи электродов А и В вводится ток, создающий в ней электрическое поле.
Такое поле тождественно электрическому полю зарядов электродов А и В, помещенных в непроводящую среду. Разница заключается лишь в том, что в электрическом поле заряды неподвижны, а в проводящей среде они находятся в движении, непрерывно воспроизводясь источником тока.
Электрическое поле характеризуется напряженностью Е, которая яв- ляется вектором, имеющим величину и направление. За единицу напря-


28 женности электрического поля принимается вольт на метр (В/м), т.е. напряженность электрического поля, при которой между точками, нахо- дящимися на расстоянии 1 м, вдоль линии напряженности поля создается разность потенциалов в 1 В. Под линией напряженности, называемой чаще силовой линией, подразумевают такую линию, в каждой точке которой вектор напряженности направлен по касательной к ней. Силовые линии соответствуют путям, вдоль которых должен двигаться положительный за- ряд. При помощи этих линий можно наглядно изобразить силовое поле.
Работа, совершаемая силами электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из некоторой точки в бесконечно уда- ленную, численно равна электрическому потенциалу данной точки. По- тенциал есть величина скалярная и в каждой точке поля имеет вполне определенное значение, поэтому может служить характеристикой поля наравне с напряженностью Е. За единицу электрического потенциала при- нимается вольт (В) – разность потенциалов между двумя точками при по- стоянном токе силой 1 А и мощностью 1 Вт. Потенциал электрического поля представляет собой функцию, которая изменяется от точки к точке и убывает в направлении хода силовой линии. В каждом реальном случае можно выделить совокупность точек, потенциалы которых одинаковы.
Геометрическое место точек постоянного потенциала называют эквипо- тенциальной поверхностью. Если путь перемещения заряда замкнут по эк- випотенциальной поверхности, то работа электрических сил равна нулю.
Потенциал U точечного заряда e в точке, отстоящей от него на расстоя- нии r равен e / r =E r. Эквипотенциальная поверхность с постоянным зна- чением r есть сфера с центром в точечном заряде. Между напряженностью поля Е и потенциалом U имеется определенная связь, так как работу элек- трических сил можно выразить через напряженность и разность потенциа- лов точек поля.
Распределение электрического поля в пространстве удовлетворяет двум основным законам – Ома и Кирхгофа. Закон Ома выражается так: плотность тока в каждой точке проводника равняется напряженности элек- трического поля в этой точке, деленной на удельное сопротивление веще- ства. Физическая сущность первого закона Кирхгофа заключается в сле- дующем, что если какой-либо элемент объема не содержит источников, то сила тока, втекающего в этот объем, равна силе тока, вытекающего из не- го. Этим выражается непрерывность потока токовых линий через любую замкнутую поверхность, не содержащую дополнительных источников то- ка. Если считать, что входящие в данный объем и выходящие из него токи имеют разные знаки, то алгебраическая сумма их равна нулю, т.е. эти токи по величине равны.
Электропроводность и удельное электрическое сопротивление.
Электропроводность горных пород не зависит от их минерального состава,


29 так как удельное электрическое сопротивление основных породообразую- щих минералов (кварц, полевой шпат, ангидрит, галит) изменяется от 10 8
до 10 15
Ом

м, что соответствует первоклассным изоляторам.
Проводимость основной группы осадочных горных пород (пески, пес- чаники, известняки, глины), минеральный скелет которых имеет практиче- ски бесконечное сопротивление, определяется лишь присутствием при- родной воды в порах породы. Удельное электрическое сопротивление во- ды на много порядков меньше сопротивления минерального скелета и из- меняется от 10
–2
до 10 1
Ом

м.
Проводящая фаза – поровая вода – распределяется в породах по- разному. В большинстве случаев она заполняет целиком все поровое про- странство независимо от того, мала или велика общая пористость породы.
Такие породы являются полностью водонасыщенными (K
в
= 100 %). На глубине встречаются также породы, поры которых лишь частично запол- нены водой. Это нефтеносные и газоносные пласты. Такие породы по удельному сопротивлению

н.п в значительной мере отличаются от водо- насыщенных, поскольку нефть и газ, как и скелет породы, являются изоля- торами.
Пластовые, или поровые, воды представляют собой сложные раство- ры электролитов. Концентрация солей в природных водах весьма разнооб- разна и изменяется от единиц до 300 г/л. Удельное электрическое сопро- тивление в таких растворах тем ниже, чем выше концентрация солей св нихи температура t. Для определения

в пользуются экспериментальными графиками

в
= f(c,t), полученными для растворов NaCl (см. рис.2). Если все поровое пространство насыщено водой, удельное электрическое сопро- тивление породы

в.п будет пропорционально удельному сопротивлению проводящей компоненты

в
; в то же время оно будет зависеть от объема этой воды, т.е. коэффициента пористости

в.п
= Р
п

в
, где Р
п
– параметр пористости породы, зависящий от пористости K
п и типа порового про- странства – извилистости поровых каналов или степени цементации поро- ды.
Удельное электрическое сопротивление породы, поровое простран- ство которой частично заполнено нефтью либо газом (

н.п
), отличается от сопротивления этой же породы, насыщенной пластовой водой (

в.п
), в Р
н раз; величина Р
н называется параметром насыщения Р
н
=

н.п
/

в.п
=

н.п
/
Р
п

в
. Параметр насыщения Р
н зависит от коэффициента водонасыщенно- сти K
в
Характеристика объекта исследования. При проходке скважины различные горные породы, приведенные в контакт с буровым раствором с


30 удельным сопротивлением

с
, изменяются неодинаково. Плотные, моно- литные с минимальной пористостью породы не претерпевают изменения, и тогда буровой раствор контактирует со средой, физические свойства кото- рой не изменены. Если породы хрупкие, на контакте со скважиной может образоваться слой с частично нарушенной структурой пласта и как бы об- разованной вблизи скважины зоной искусственной трещиноватости. Гли- нистые породы на контакте с буровым раствором, как правило, набухают, размываются и выносятся буровым раствором, в результате чего диаметр скважины в таких интервалах может значительно увеличиться, а на кон- такте глины с раствором образуется небольшой глубины зона набухшей либо растрескавшейся чешуйками глины.
Изменение физических характеристик пласта-коллектора мощностью
h, залегающего среди вмещающих пород с удельным сопротивлением

в.м и обладающего значительными пористостью и проницаемостью, на кон- такте со скважиной бывает наиболее существенным. Вскрытие коллекто- ров всегда ведется при условии, что давление в скважине превышает пла- стовое. Это вызывает фильтрацию жидкости из скважины в пласт. При этом, если поровые каналы в коллекторе достаточно тонки и представляют собой сетку, как в фильтре, на стенке скважины образуется глинистая кор- ка толщиной h
г.к
, с удельным сопротивлением

г.к
, а фильтрат бурового раствора проникает в пласт, создавая зону проникновения диаметром D с удельным сопротивлением

з.п
. Физические свойства коллектора при этом значительно изменяются. Неизменная часть пласта с удельным сопротив- лением

н.п или

в.п
, где свойства коллектора сохраняются такими же, как до его вскрытия, расположена достаточно далеко от стенки скважины.
Вблизи стенки скважины поры породы наиболее сильно промыты филь- тратом бурового раствора. Эта зона называется промытым пластом; ее удельное сопротивление –

п.п
. Между промытой зоной и неизмененной частью пласта расположена промежуточная зона, называемая зоной про- никновения. В этой зоне пластовые жидкости смешиваются с фильтратом бурового раствора, а коэффициент нефте- или газонасыщения K
н изменя- ется от минимального до максимального значения как в неизменной части пласта (рис. 3).
Для водоносных и продуктивных коллекторов отношение

п.п
/

с
кон- тролируется в основном параметром пористости Р
п
. Это означает, что для реальных коллекторов при изменении пористости от 10 до 26 % удельное сопротивление промытой зоны пласта

п.п отличается от

с в 8–100 раз.
Когда коллекторы насыщены нефтью или газом, это отношение увеличи- вается пропорционально Р
н.п.п промытого пласта, т.е. в 1.5–2.5 раза. При переходе от зоны проникновения с предельным значением сопротивления


31
Рис.3. Схема строения проницаемого пласта, вскрытого скважиной:
1 – коллектор, 2 – глинистая корка, А – стенка скважины, В – грани- ца между зоной проникновения и неизменной частью пласта, h – толщина пласта, h
г.к
– толщина глинистой корки, d
с
– диаметр сква- жины, D – диаметр зоны проникновения,

п
,

з.п
,

п.п
,

в.м
,

г.к
,

с
– удельное сопротивление соответственно пласта, зоны проникнове- ния, промытого пласта, вмещающей породы, глинистой корки и бу- рового раствора

п.п к водонасыщенному коллектору, уд. сопротивление падает за счет то- го, что фильтрат бурового раствора с уд. сопротивлением

ф заменяется высокопроводящей минерализованной пластовой водой. Отношение

п.п
/

в.п в пределе должно равняться отношению

ф
/

в
. Для нефтеносного коллектора отношение

п.п
/

н.п контролируется произведением двух сомножителей Р
н.п.п
/ Р
н и

ф
/

в
Коллекторы со сложной структурой порового пространства (трещин- ные, кавернозные) существенно отличаются от фильтрующих коллекторов с межзерновой пористостью. При вскрытии таких коллекторов трещинами и кавернами поглощается буровой раствор, а не его фильтрат, поэтому глинистая корка не образуется. Зона проникновения раствора и фильтрата в пласт обычно очень велика и не может быть зафиксирована.
Определение границ и удельного сопротивления пластов. Величи- на кажущегося удельного электрического сопротивления

к
, определяю- щая форму кривой КС, зависит от мощности пласта, типа и размера зонда, его положения относительно границ пласта. Условно принято считать

32 пласт мощным, если его размер превышает размеры зонда. Если удельное сопротивление пласта соответственно больше или меньше удельного со- противления вмещающей среды, то пласт квалифицируется как пласт вы- сокого или низкого сопротивления (рис. 4).
Результаты расчета кажущегося удельного сопротивления для пласта неограниченной мощности (Л.М. Альпин, С.Г. Комаров) представлены в виде кривых, выражающих зависимость

к от различных определяющих его параметров:
– для непроницаемого пласта – от уд.сопротивлений пласта

п и про- мывочной жидкости

с
, диаметра скважины d и длины зонда L
з
;
– для проницаемого пласта при наличии зоны проникновения, кроме перечисленных параметров, – от удельного сопротивления зоны проникно- вения

з.п и ее диаметра D.
Эти кривые называются кривыми бокового каротажного зондирования
(БКЗ), а такие кривые, сгруппированные по определенному признаку
(двухслойные, трехслойные) и выражающие зависимость

к
/

с от L
з
/d
с для пласта неограниченной мощности, называются палетками БКЗ. Различа- ют– двухслойные и трехслойные кривые БКЗ.
Рис.4. Кривые сопротивления для двух пластов, мощность которых
h меньше длины зонда, записан- ные подошвенным градиент-зон- дом (

п
= 10

с и

в.м
=

с
). Мощ- ность прослоя малого сопротив- ления для а-в соответственно h,
1,5h, 4h (занижающее экранипро- вание), г – 8h (завышающее экра- нирование), АМ = 7,5h; МN = h
А
М
N
а
б
в
г

к
/

в.м