Курсовая. ВВЕДЕНИЕ2. Литература объектом исследования в работе являются методы достоверной оценки пространственного распределения удельного электрического сопротивления (уэс) в околоскважинной части терригенного разреза,
Скачать 1.94 Mb.
|
kopsz)ia)vsA2 ш, (О - циклическая частота.^2 блщ(ЗкТ-2Uk)* ( О В зарубежных видах комплексной аппаратуры DIL, DIFL, DISF, разработанных ведущими фирмами Шлюмберже, Дрессер-Атлас, Герхарт-Оуэн, как правило, комплексируются два разноглубинных индукционных зонда большого и среднего радиусов исследования с зондом бокового каротажа, потенциал- или микросферическим зондом. В по- 22 следние годы за рубежом появилась многозондовая аппаратура ИК нового поколения, содержащая 8 трехкатушечных зондов, б из которых работают на двух частотах. Учитывая, что все зонды регистрируют одновременно активную и реактивную составляющие сигнала, общее количество кривых равно 28. Типичным примером такого типа аппаратуры является разработанный в 1990 г. многозондовый прибор AIT, имеющий достаточно большие габариты и вес. Последней разработкой в этой области является индукционный комплекс фирмы Western Atlas. В нем одновременно регистрируются активная и реактивная компоненты в 8-ми трехкатушечных зондах на 7-и частотах (диапазон 15 - 230 кГц), общее число диаграмм равно 112 [56, 58] Для определения продольной и поперечной проводимости тонкослоистых терригенных коллекторов фирмой Baker Atlas выпускается индукционный комплекс 3DEX с измерением реактивной и активной составляющей трех компонент временной производной магнитной индукции. Частота тока в генераторе изменяется в пределах от первых десятков до первых сотен килогерц. Прямых аналогов в России эти виды аппаратуры не имеют. Наряду с развитием индукционных методов исследования удельной электрической проводимости пород появились и получили свое дальнейшее развитие методы электромагнитного каротажа, направленные на измерение диэлектрической проницаемости пород - диэлектрический (ДК) и волновой диэлектрический (ВДК) каротаж. Диэлектрическая проницаемость горной породы зависит в основном от содержания в ней подвижной и малоподвижной воды. Поэтому по данным ДК в комплексе с данными других методов ГИС можно определять коэффициент остаточной водонасыщенности и характер насыщения коллекторов, а при глубоких зонах проникновения - пористость. Дополняя при решении указанных задач методы сопротивления ДК выгодно отличается от них малой зависимостью диэлектрической проницаемости от минерализации воды, возможностью измерений в скважинах, заполненных непроводящими и малопроводящими промывочными жидкостями. Высокочастотные методы имеют ряд преимуществ при определении УЭС по сравнению с широко известными методами Практически ДК был реализован С.М. Аксельродом и Г.Я. Черняком в 60-х годах. Ими была разработана и опробована аппаратура, базирующаяся на принципе скважинного конденсатора. Малая глубинность исследования, большое влияние скважины на результаты измерений и неразработанность теории явились причиной того, что эта модификация ДК не нашла широкого применения. В то же время полученные результаты послужили важным стимулом для развития новых модификаций ДК. В 1963 - 1964 гг. в Сибирском отделении АН СССР Д.С. Даевым и А.А. Кауфманом был предложен диэлектрический индуктивный каротаж (ДИК), основанный на измерении амплитуды вторичного поля вертикальными магнитными диполями. Благодаря удалению измерителей поля от источника, глубинность зондов ДИК выше, чем у конденсаторного зонда. В 1966 г. Д.С. Даевым предложен способ ДК, основанный на измерении относительных параметров поля, в частности разности фаз электромагнитной волны в двух точках на оси скважины, удаленных от излучающей катушки. Дальнейшее развитие способ получил в направлении измерения нескольких относительных параметров поля. Д.С. Даеву принадлежит разработка волновой трактовки явлений в ДК, которая и позволила сформулировать способы относительных измерений. Эти способы отличаются от ДИК практически полным отсутствием влияния скважины, более благоприятными вертикальными характеристиками зондов и меньшим влиянием УЭС на результаты измерений при определении е. Теория высокочастотных электромагнитных методов исследования скважин, рассматриваемых ниже, базируется в основном на строгих решениях ряда осесимметричных задач с заданным возбудителем поля в виде вертикального магнитного диполя с гармонически меняющимся моментом. Решение задачи о поле магнитного диполя при наличии пласта конечной мощности приведено в работах Г.Н. Зверева, А.А. Кауфмана. На основе этих решений путем математического моделирования рядом исследователей были изучены вертикальные характеристики зондов высокочастотных электромагнитных методов. В 1971 г. Н.М. Афониной было получено решение задачи о поле вертикального магнитного диполя для модели среды с четырьмя плоскопараллельными поверхностями раздела. На основе этого решения В.С. Зинченко проведено исследование влияния пачек пластов на показания зондов высокочастотных электромагнитных методов. Для поля диполя при наличии горизонтальных границ раздела Д. Карийским найдены приближенные решения на базе принципов геометрической оптики. Они позволили понять физику процессов, происходящих при прохождении электромагнитной волны в данной модели среды. Теория метода электромагнитного каротажа для цилиндрически- слоистых сред развита В.Н. Никитиной, Г.Н. Зверевым, Д.С. Даевым, И. Дмитриевым. На ее базе были исследованы радиальные характеристики зондов. Задача для модели среды с сочетанием горизонтальных и вертикальных границ раздела решена методами интегральных уравнений (Е.В. Захаров, И.В. Ильин, Н.И. Несмеянова) и конечных разностей (А.Д. Карийский). Это позволило изучить влияние скважины в пластах конечной мощности, искажения поля, вносимых кавернами, совместное влияние скважины, зоны проникновения, конечной мощности пластов и др. Параллельно с развитием теории интенсивно велись работы по созданию и опробованию аппаратуры. Была закончена разработка аппаратуры ВИК и ВК-723 для определения УЭС; АДК-1, ДК1-713 для определения е. Проводилось широкое опробование габаритных макетов этой аппаратуры. Успехи в области интерпретации данных высокочастотных электромагнитных методов были достигнуты благодаря проведенным систематизированным исследованиям свойств горных пород на образцах керна (С.М. Аксельрод, Г.Я. Черняк, ЛИ. Дубман, Ю.Л. Брылкин, В.В. Лихачев, В.Н. Романов и др.), широкому опробованию методов количественной интерпретации на базе зависимостей «керн-геофизика» (С.Б. Денисов, В.В. Лихачев, Я.Н. Басин, В.С. Зинченко, В.Д. Чухвичев, Ю.П. Кадысев, А.И. Костин и др.), глубокому анализу результатов решений прямых задач. С начала 70-х годов высокочастотные электромагнитные методы интенсивно развиваются рядом зарубежных нефтяных и промысловогеофизических фирм. Так, способы ДИК, развитые на базе работ Д.С. Даева и Ю.Н. Антонова, были предложены фирмой 'Тексако" в 1973 - 1974 гг. Запатентованные ею устройства содержать трехкатушечный зонд, измеряющий относительные характеристики магнитного поля на частоте 32 МГц зондом Г0.2Г0.8И и суммарного поля на частоте 16 МГц зондом И1.0Г, измерительные катушки — общие для обоих зондов. Спецификой аппаратурного решения является стабилизация тока в излучающей катушке зонда. Той же фирмой предложен способ определения е путем измерения суммарного поля зондом И 1.0 Г на частоте 32 МГц и кажущегося сопротивления стандартным зондом ИК на частоте 20 кГц. Последнее используется как поправка за УЭС в результаты измерений на частоте 32 МГц. "Тексако" и позднее "Шлюмберже" реализовали способы ВДК отличающиеся только особенностями аппаратурной реализации или применения. Например, в 1974 г. запатентован способ определения 8 трехкатушечным зондом, измеряющим на частоте 30 МГц разность фаз и амплитуду суммарного поля. В 1977 г. предложено устройство определения s по разности фаз и отношению амплитуд. Фирмой "Шлюмберже" предложен способ повышения глубинности путем измерения разности фаз длинным зондом ВДК и отношение ам плитуд коротким зондом на частоте 32 МГц и определения по ним s горных пород. В США запатентован применительно к ВДК способ измерения разности фаз путем счета числа импульсов, поступающих на вход счетной схемы в промежуток времени между переходами через нуль сигналов в первой и второй измерительных катушках зонда [56]. В скважинном приборе зондом И0.2И0.8Г на частоте 47 МГц измеряются разность фаз и амплитуды ЭДС в измерительных катушках. Вычисление отношения амплитуд производится на поверхности. Способ микроволнового диэлектрического каротажа разрабатывался только фирмой "Шлюмберже". Фирменное название - EPL (electromagnetic propagation log). Способ заключается в измерении времени прохождения и затухания электромагнитной волны частотой 1-3 ГГц на интервале базы зонда (И 0.04 И 0.08 Г) [57]. Имеется целый ряд патентов США 1976 - 1979 гг. на применение способа для определения е и кш оценки наличия адсорбированной воды. Для исключения влияния каверн коэффициент затухания и фазовую постоянную измеряют симметричным зондом, имеющим две измерительные и две излучающие катушки, расположенные по разные стороны от приемных. Излучающие катушки включаются поочередно. Результат измерений — полусуммы значений, найденные при включенных верхнем и нижнем излучателях. Фирмой "Эксон" в 1975 г. предложен способ определения диэлектрической проницаемости пород в ближней и дальней от стенки скважины зонах путем измерения переходного процесса с помощью двухэлектродного зонда, электроды которого гальванически соединены со стенкой скважины. Эффективность применения геофизической аппаратуры, возможность использования результатов измерений для массовых количественных и качественных определений свойств горных пород непосредственно связаны с возможностью сопоставления диаграмм и обработанных данных при известной точности измерений. Сложность задачи по строения систем метрологической поверки заключена в противоречивости самой постановки задачи - обеспечить высокую точность простыми и надежными средствами. Для метрологического обеспечения используются средства измерений, заимствованные из государственных поверочных схем: исходные образцовые средства измерений и образцовые средства измерений [13]. Средства измерений, заимствованные из государственных поверочных схем, используют для метрологической аттестации исходных образцовых средств и определения отдельных характеристик средств измерений. В качестве исходных образцовых средств измерения в поверочных схемах для скважинных средств измерения УЭС часто применяют стандартные образцы УЭС, выполненные в виде емкостей, заполненных водой. Причем влияние краевых эффектов на показания поверяемой аппаратуры не должно превышать 0.2 % (РДС 39-01031-80). Предел основной допускаемой относительной погрешности исходных образцовых средств измерения установлен 0.8 %. С помощью исходных образцовых средств измерения аттестуют образцовые средства измерения (имитаторы) и поверяют рабочие средства измерений методом прямых измерений. Для аттестации имитаторов (магазинов сопротивлений, индукционных катушек, пластов в контрольно-поверочных скважинах и т.д.) используют скважинные средства измерений повышенной стабильности (стабильность не менее 0.25 % за 0.5 ч), которые называют компараторами. С помощью компараторов передают размер единицы величины от исходных образцовых средств на имитаторы. Предел основной допустимой погрешности образцовых средств измерения 1.5 — 2.5 %. С помощью имитаторов аттестуют рабочие средства измерений на производственных геофизических предприятиях в ремонтноповерочных лабораториях и цехах. В электромагнитных методах каротажа измеряются параметры поля, которые связаны с электрическими свойствами горных пород. В общем случае каждый параметр поля зависит от s, р и ц среды. Поэтому электрические свойства среды находят из трансформаций, реализующих существующие теоретические представления. В этом случае, по- видимому, целесообразно иметь меры, которые позволили бы градуировать аппаратуру в единицах параметров поля. В некоторых случаях, когда возможно прямое измерение е и р, градуировать скважинные средства измерений можно непосредственно в единицах 8 и р. Современная аппаратура индукционного каротажа поверяется преимущественно с помощью имитаторов р, выполненных в виде индукционной катушки, в цепь которой последовательно включаются резисторы и емкость для компенсации реактивной составляющей комплексного сопротивления. На рисунке приведена принципиальная схема имитатора для аппаратуры ИК, входящего в состав установки УПЭК-1. Индукционная катушка L выполнена на гетинаксовом каркасе и содержит 10 витков множительного медного провода (для повышения добротности и уменьшения скин-эффекта) со средним диаметром намотки 360 мм. В составе установки УПЭК имеется вторая катушка с диаметром намотки 700 мм. Емкость конденсатора С подбирается экспериментально таким образом, чтобы на частотах 25 и 50 кГц индуктивное сопротивление цепи равнялось емкостному сопротивлению. Сопротивления резисторов Rl - R5 (магазины сопротивлений) определяют для каждого типа зонда аппаратуры ИК путем математического моделирования электромагнитного поля в имитаторе и в бесконечной однородной среде. Резисторы Rl - R5 переключают при помощи переключателя. В аппаратуре АИК-5 имитации значений реактивной составляющей удельного электрического сопротивления (проводимости) производится изменением емкости конденсатора С. Поверку аппаратуры ИК выполняют в следующей последовательности [13]: зонд аппаратуры ИК располагают горизонтально на диэлектрических подставках высотой не менее 1.5 м и размещают на нем вблизи генераторной катушки индукционную катушку имитатора; включают аппаратуру и по истечении времени ее самопрогрева выполняют калибровку по стандарт-сигналам в соответствии с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации; устанавливают на зонд вблизи генераторной катушки индукционную катушку имитатора и, перемещая ее вдоль оси зонда, добиваются максимального сигнала на выходе поверяемой аппаратуры ИК; включают в цепь имитатора резистор (или магазин сопротивлений), значение сопротивления которого Ra соответствует началу диапазона измерений поверяемой аппаратуры и фиксируют результат измерений; измеряют поверяемой аппаратурой остальные значения, воспроизводимые имитатором (в случае существенной случайной составляющей погрешности выполняют многократные измерения каждого значения); для каждого измеренного результата определяют оценку погрешности аппаратуры. Были предложены и другие способы поверки аппаратуры индукционного и электромагнитного каротажа. В 1986 г. С.М. Аксельродом получено авторское свидетельство на способ поверки аппаратуры индукционного каротажа. Суть изобретения состоит в перемещении проводящего кольца вдоль катушечной системы зонда ИК для получения дифференциальной радиальной характеристики зонда. По результатам сопоставления этой характеристики с расчетной делают вывод о качестве аппаратуры [9]. В 1998 г. Западно-Сибирским НИИ геофизических методов разведки (изобретатели В.Н. Зосимов, И.Ф. Радковец, В.Г. Мамяшев) получен патент на способ градуировки аппаратуры индукционного каротажа. Способ включает в себя подачу на вход измерительного датчика сигналов от имитатора, проводимость которых меньше зоны чувствительности прибора и чуть больше ее. После этого по показаниям прибора вычисляется значение оь, которое затем служит «нулем воздуха» при проведении скважинных измерений. Электрические свойства растворов электролитов Электропроводность ■-Е 10" (1.1) ы щ Согласно [22], электропроводность системы, состоящей из п заряженных частиц, находящихся в хаотическом движении и между которыми отсутствует взаимодействие (аналогично частицам идеального газа), может быть описана выражением где v( - число частиц i -го вида в одном кубическом метре, qh т,- — заряд и масса г -й частицы, ц - время релаксации. В общем случае величину г„ характеризующую интервал времени между двумя столкновениями частицы, определить сложно. Однако р можно выразить через длину свободного пробега / и скорость движения Т Vo частицы. Поэтому величина —, называемая подвижностью р [47], m т м=— 1 m V0m Из кинетической теории газов [47] известно, что -mV} =-кТ 2 0 2 тогда р ]К_ ЗкТ' (1.2) (1.3) (1.4) может быть описана следующим выражением: здесь Т |
В основе этого способа расчета удельной электропроводности сильных электролитов лежит предположение, о том, что ионы не движутся, а лишь хаотически колеблются около своих положений равновесия. Т. е. в растворах существует не только определенная структура растворителя [40], но и структура растворенного вещества. В концентрированных растворах последняя может быть подобна кристаллической структуре. Таким образом, при расчете энергии кулоновского взаимодействия можно использовать метод расчета энергии кристаллической решетки по Борну [39]
(1.9)
ик=-
ЫгА
Алеева ^ s )
где <7, - заряды ионов, s - относительная диэлектрическая прони
трами ионов, А - структурная постоянная,
'i-Г
V
SJ
множитель, учиты
цаемость, £q - диэлектрическая постоянная, а - расстояние между цен
вающий энергию отталкивания.
В слабоконцентрированных растворах расстояния между ионами значительно больше, чем в кристаллах, и поэтому силы отталкивания можно не учитывать. Однако при концентрациях электролитов больше 1 Моль/литр эти расстояния становятся одного порядка и необходимо учитывать силы отталкивания.
Расчет удельной электропроводности растворов NaCl по формулам (1.8) - (1.9) показал их хорошее совпадение со справочными данными [10, 44]. Поэтому они в дальнейшем используются для расчетов УЭС растворов электролитов с учетом температуры и концентрации.
Практически важной является оценка частотной дисперсии электропроводности растворов электролитов. Из работ [26, 45, 49] следует, что она обусловлена в первую очередь дисперсией дипольной электропроводности воды и составляет пренебрежимо малую величину (порядка ЗЮ-7 См/см) при рассматриваемых нами частотах (порядка 106107 Гц) и концентрациях (1 Моль/литр). Поэтому, при дальнейшем рассмотрении этим эффектом можно пренебречь.
Диэлектрическая проницаемость
Анализ литературы [45, 49] показал, что в настоящее время нет общей точки зрения на величину диэлектрической проницаемости раствора той или иной соли. По мнению одних авторов диэлектрическая проницаемость бинарного раствора электролита увеличивается с ростом концентрации, по мнению других - уменьшается, или, в зависимости от состава солей, возрастает или уменьшается. Тем не менее, в большинстве случаев эти изменения малы и в первом приближении могут быть рассчитаны по формуле (1.10) Г. Фалькенгагена [46]. При этом предполагается, что с ростом концентрации солей диэлектрическая проницаемость растворов должна увеличиваться.
£*=^+3.7971 (1.10)
где е - диэлектрическая проницаемость раствора;
£*0- диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды;
Л - концентрация раствора, Моль/литр.
Большинство исследователей сходится на том, что с увеличением температуры раствора его диэлектрическая проницаемость уменьшается. Это подтверждается и экспериментальными данными для водного раствора NaCl [10].
т° с | Концентрация, Моль/литр | ||||||
0.125 | 0.333 | 0.66 | 1.00 | 2.08 | 4.34 | 5.62 | |
3 | 85.8 | 81.9 | 77.2 | 74.0 | - | - | - |
25 | 78.0 | 73.0 | 68.7 | 65.0 | 52.2 | 37.6 | 32.1 |
40 | 71.5 | 69.7 | 67.1 | 64.3 | - | - | - |
Таким образом, можно сделать следующие выводы: с увеличением минерализации диэлектрическая проницаемость бинарных растворов в сравнении с диэлектрической проницаемостью дистиллированной воды изменяется незначительно; с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость бинарных растворов существенно уменьшается.
Следовательно, в случае применения в метрологических моделях, диэлектрические свойства растворов можно считать независящими от концентрации соли, а учет температурных зависимостей необходим наряду с учетом температуры для электропроводности. Для этого необходимо проводить тщательные измерения температуры до и после проведения работ.
1.3 Электромагнитное поле магнитного диполя
Уравнения Максвелла для квазистационарного поля:
rotЁ = -—\ div7 = 0
dt
rotН = aj ; divB = 0
где о - удельная электропроводность среды.
Уравнения связи j = аЁ, В = pH.
Будем предполагать, что размеры генераторной катушки существенно меньше расстояния до точки измерения. В этом случае круглый виток с переменным током I(t) = 10е
В однородной среде
Введем цилиндрическую систему координат \r, <р, z). Ось z направлена вдоль момента диполя. Начало координат расположено в источнике. Введем вектор-потенциал А, связанный с электромагнитным полем следующими соотношениями:
Е = ico/u rot А Н = k2 А + grad div А
где: к1 - -тар
В силу симметрии задачи существует всего три ненулевые компоненты поля
Компонента потенциала подчиняется уравнению Гельмгольца
V2Az + k2Az = О, при R*0
Как известно, решение этого уравнения имеет вид
где R = ylr2 +z2 ,
тогда из (1.1) следует, что
4 nR
Er=im-^e“\\ + kR)
Hz=-^-Te-kR(l-kR) z In R3 V '
При условии квазистационарности волновое число к преобразуется к виду
здесь f=co/2n
1 dz dz
Д =
\_ 4 л
V
/I
-i|,|
Ак2е2Щ
А," МЧ+kt)
е