В. В. Климов, А. В. Шостак геофизические исследования скважин
 Скачать 7.18 Mb.
|
|
3.1.21 Метод токового каротажа Токовый каротаж (ТК) является наиболее простым из методов, на- правленных на дифференциацию разрезов скважин по электрическому со- противлению. Ток в цепи электродов АВ (рис. 3.16)определяется перемен- ным сопротивлением электрода А, перемещаемого по скважине, а оно, в свою очередь, зависит от сопротивления горных пород, через которые он проходит. В тех случаях, когда сопротивление пород минимальное, а кривая КС идет по значениям, близким к 0, на диаграмме ТК фиксируют- ся максимальные показания, на фоне которых хорошо выделяются все подробности строения низкоомных зон. Границы зон низкого сопротивле- ния определяют по точкам резкого возрастания на кривых ТК. Рис.3.16 Схема токового каротажа Для детальных электрических исследований рудных зон в СССР был разработан вариант ТК, получивший название метода скользящих (щеточ- ных) контактов – МСК (рис. 3.17), с помощью которого можно исследо- вать сухие скважины или обычные скважины в интервале выше уровня бу- рового раствора. Рис. 3.17 Схема и результаты МСК 63 Метод МСК непригоден для углеразведочных скважин, поскольку в угольных пластах обычно образуются большие каверны, и концы щеточ- ного электрода не достают до стенок скважин. Для углеразведочных сква- жин разработан другой вариант ТК, называемый боковым токовым каро- тажем (БТК). Зонд БТК состоит из центрального электрода А 0 длиной 2 см и 2 экранных электродов А э1 и А э2 по 75 см каждый, соединенных друг с другом накоротко. Рис. 3.18 Зонд бокового токового каротажа Электроды разделены изоляционными промежутками шириной 1–2 см. Электрод А 0 соединен с одним из экранных электродов через резистор R о = 1 Ом. К этому резистору и подключается регистрирующий прибор. Разность потенциалов, снимаемая с этого резистора, пропорциональна силе тока, стекающего с центрального электрода. Диаграммы БТК четко расчле- няют разрез углеразведочных скважин и позволяют выделять в них угольные прослои мощностью 3–5 см. 3.1.22 Метод электродных потенциалов Метод электродных потенциалов (МЭП) в практике рудного карота- жа применяется для разделения аномалий низкого сопротивления по при- роде проводимости на аномалии с электронной проводимостью (т.е. руд- ные) и аномалии с ионной проводимостью (т.е. нерудные). МЭП основан на измерении разности потенциалов между двумя электродами, изготовленными из одного металла. Один из них (скользя- щий электрод) при этом постоянно касается стенок скважины, другой электрод (электрод сравнения) находится в буровом растворе (рис. 3.19). 64 Рис. 3.19 Схема и результаты метода электродных потенциалов Электрод сравнения в процессе каротажа почти не изменяет свой по- тенциал, а скользящий электрод приобретает потенциал пород, по которым он перемещается. Поэтому разность потенциалов между электродами в без- рудных частях скважин очень невелика и не превышает нескольких десятков милливольт. Большая разность потенциалов наблюдается только в том слу- чае, когда скользящий электрод касается электронного проводника, который по своему электродному потенциалу отличается от электрода зонда. Такими природными электронными проводниками является большинство сульфидов, некоторые окислы, графит и антрацит. Для получения наибольших аномалий электроды зонда МЭП изготавливают из «электроотрицательных» металлов, например, Zn (е = – 0,76 В) или Fe (е = – 0,44 В). Электронные проводники в скважинах отмечаются резкими положи- тельными аномалиями ЭП, а ионные не отмечаются совсем. Амплитуда аномалий ЭП зависит от минерального состава природного проводника. Таким образом, МЭП дает потенциальную возможность не только обнару- живать электродные проводники в разрезе скважин, но и судить об их ми- неральном составе. Однако, поскольку величина аномалий ЭП даже для одного и того же минерала не является постоянной и в сильной степени зависит от различ- ных условий: состава и температуры бурового раствора и подземных вод, наличия примесей, размеров электродов и т.п., то метод ЭП не нашел практического применения для определения состава руд. В настоящее вре- мя МЭП сохраняет свою роль только в решении вопроса о природе анома- лии низкого сопротивления и при уточнении границ рудных подсечений, 65 которые отбиваются по точкам резкого возрастания аномалий, поскольку скользящий электрод зонда можно считать точечным. На месторождениях электропроводных руд метод МЭП применяют в комплексе с методом МСК и используют для этого один и тот же щеточный зонд, который пред- варительно дополняют электродом сравнения. 3.2 Методы акустического каротажа Методы акустического каротажа основаны на изучении свойств гор- ных пород по измеряемым в скважине характеристикам упругих волн зву- ковых и ультразвуковых частот. Основными видами акустического каро- тажа (АК) являются каротаж по скорости и каротаж по затуханию, состоя- щие в измерении в виде непрерывных кривых скорости (интервального времени) распространения и затухания продольной преломленной волны, а также волновой каротаж (ВК), основанный на измерении кинематических и динамических характеристик всего пакета волн. В процессе ВК регист- рируют либо распределенную по глубине последовательность волновых картин, каждая из которых представляет собой график изменения сигнала во времени на фиксированной глубине, либо так называемые фазокорреля- ционные диаграммы, представляющие собой кривые изменения с глубиной времен прихода определенных фаз акустических колебаний. Основное применение получили методы искусственных акустиче- ских полей, в которых изучают распространение волн от излучателя, рас- положенного в скважинном приборе, однако все большее применение на- ходят методы естественных полей, основанные на изучении колебаний, создаваемые различными естественными и технологическими процессами. К ним относятся: – метод изучения шумов при бурении с целью определения характе- ра проходимых пород по спектру колебания инструмента; – метод определения горизонтальной проекции текущего забоя на земную поверхность путем установления точки с максимумом мощно- сти колебаний на поверхности Земли; – метод спектральной шумометрии для выявления межпластовых перетоков флюидов за обсадными колоннами; – метод спектральной шумометрии для выделения нефтегазоотдаю- щих интервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении флюидов в ствол скважины; 66 – метод спектральной шумометрии для обнаружения негерметичных муфтовых соединений и иных мест негерметичности в обсадных колоннах и т.д. Физические основы акустического метода Известно, что средах могут возникать волны двух типов – продоль- ные Р и поперечные S. Поперечные волны возникают и распространяются лишь в твердых телах. Скорости распространения волн зависят от плотно- сти и упругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига). Скорость V S в 1,5–2 раза ниже V P При проведении акустических исследований в скважинах наблюда- ются упругие волны: прямая гидроволна, отраженная волна, преломленные и поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважины, а так- же волны, отраженные от границ пластов, трещин и т.д. Преломленные волны – основной объект изучения. Они образуются, если угол падения волны на стенку скважины превышает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда так- же превышала некоторое критическое значение. Проще всего определяют- ся при AК время вступления и амплитуда волны (по ним судят о скорости и коэффициенте затухания волн в породе), приходящей к приемнику пер- вой (первое вступление волн). В обсаженной скважине дополнительно возникает волна Лэмба– Стоунли – St, распространяющаяся по обсадной колонне. Ее амплитуда за- висит от степени сцепления колонны с цементным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в окружающую среду и тем ниже амплитуда волны по колонне. Это явление используют в акусти- ческих приборах для определения качества цементирования скважин. Измерение времен и амплитуд отраженных волн позволяет исследо- вать внутреннюю поверхность обсадной колонны (положение муфт, пер- форационных отверстий, дефектов колонны). Аппаратура акустического каротажа на отраженных волнах («акустический телевизор») позволяет по- лучать растровое отображение стенки скважины или обсадной колонны по интенсивности отраженных высокочастотных упругих импульсов. Данные акустического каротажа в комплексе с другими геофизиче- скими методами дают возможность определить пористость пород, выде- лить зоны трещиноватости и кавернозности в карбонатном разрезе, уточ- нить литологию разреза, получить сведения о техническом состоянии скважины. 67 Простейший скважинный прибор акустического каротажа состоит из двух элементов – излучателя и приемника упругих колебаний. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Зонды обозначают последователь- ностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставля- ют расстояния в метрах. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине обычно применяют один излучатель и несколько при- емников. Расстояние S между приемниками называют базойзонда (опре- деляет вертикальную разрешающую способность метода). Исследования скважин акустическими методами базируются на определении времени прохождения продольных волн от источника ультразвуковых колебаний до их приемника или к определению времени прохождения волн между двумя приемниками. 3.2.1 Акустический каротаж по скорости и затуханию Как показано выше, акустический каротаж по скорости основан на изучении скорости распространения упругих волн в горных породах, вскрываемых скважинами путем измерения интервального времени: ∆t = (t 2 – t 1 ) / S[мкс / м], (3.6) где, (t 2 – t 1 ) разность времен вступления на втором и первом приемнике, S – база зонда. Время пробега ∆t упругой волны на единицу длины и ее скорость v п определяются по разности времен вступления на втором и первом прием- никах (t 2 – t 1 ). Скорость распространения упругой волны в пласте – v, определяемая при акустическом каротаже, называется пластовой или интервальной и за- висит от литологии (упругих свойств) минерального скелета пород, степе- ни их цементации, пористости и характера насыщающей жидкости, а так- же от разности горного и пластового давлений. Максимальные значения v характерны для ангидритов (6000 м/сек), кристаллических пород (4500–6300 м/сек) и каменной соли (4500–5500 м/сек); минимальные – для воздуха (330 м/сек) и углеводородных газов (метан – 430 м/сек). Низкими скоростями распространения упругих волн характеризуются также нефть (1400 м/сек), вода и буровой раствор (1670–1760 м/сек). Глинам, песчани- кам и известнякам соответствуют промежуточные значения v, равные со- ответственно 1800–2400, 2000–3000 и 2200–5500 м/сек. Скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологических особенностей пород, их глинистости, 68 степени сцементированности и других факторов. Так, скорость распро- странения волн в породе уменьшается, а интервальное время увеличивает- ся с ростом коэффициента пористости kП. (Во многих случаях зависимость ∆t от kП близка к прямолинейной). Акустический каротаж по затуханию основан на изучении характе- ристик затухания упругих волн в породах, вскрываемых скважинами. Энергия упругой волны и амплитуда колебаний, наблюдаемых в той или иной точке, зависят от многих факторов. Основными из них являются: мощность излучателя, расстояние от него до данной точки и характер гор- ных пород. В однородной среде при распространении волны со сфериче- ским фронтом количество энергии, приходящейся на единицу объема, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от рассматриваемой точки до излучателя; амплитуда колебаний уменьшается обратно пропор- ционально этому расстоянию. При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда колебаний уменьшаются вследствие; расхождения энергии во все больший объем не- идеально упругой среды (в результате расширения фронта волны при ее движении); рассеивания и дифракции волн на неоднородностях среды; от- ражения и преломления на границах сред с различными скоростями рас- пространения колебаний. Коэффициент затухания упругих колебаний – α увеличивается с ростом коэффициента пористости горных пород, их гли- нистости и трещиноватости, а также газоносности пород, увеличиваясь с повышением этих параметров. Амплитуды А1 и А2 акустических колебаний, воспринимаемые при- емниками, измеряются в милливольтах, а α = (1/S)ln(A1/A2) – в децибелах. (В некоторых случаях пользуются относительной амплитудой колебаний – отношением амплитуды А регистрируемой волны к наибольшему значе- нию амплитуды против опорного пласта Аоп, т.е. А/Аоп. При этом за опор- ный пласт принимается мощный пласт плотных пород с наибольшей ам- плитудой Аоп). Ослабление и затухание упругих колебаний особенно сильно прояв- ляется при ультразвуковой частоте 15–35 кГц, используемой в акустиче- ском каротаже. Основной помехой при акустическом каротаже по затуханию являет- ся наличие акустического сопротивления при переходе упругой волны на границах: скважинный прибор – промывочная жидкость-порода. Это со- противление характеризуется сильной изменчивостью и оказывает значи- 69 тельное влияние на результаты измерений. Так, пузырьки газа растворен- ного в буровом растворе, в сотни раз увеличивают затухание акустических волн и сигнал до приемника зачастую не доходит. Кроме того, для получения достоверной информации глубинный прибор акустического каротажа необходимо строго центрировать в сква- жине с помощью специальных центрирующих приспособлений – центра- торов по всему интервалу исследования. Исследованиями установлено, что эксцентриситет прибора не должен превышать 8 мм (при частоте излучае- мых колебаний 25 кГц), а перекос прибора – всего 0,4 град. (Для акустического прибора «CBL» фирмы «Schlumberger» эксцен- триситет в 10 мм приводит к уменьшению регистрируемой амплитудыаку- стической волны на 50 % ). 3.2.2 Аппаратура акустического метода Простейший скважинный прибор акустического каротажа состоит из двух элементов – излучателя и приемника упругих колебаний. Расстояние L между ними называется длиной зонда. Зонды обозначают последователь- ностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставля- ют расстояния в метрах. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине обычно применяют один или два излучателя и не- сколько приемников (рис. 3.20). Расстояние S между приемниками назы- вают базой зонда (определяет вертикальную разрешающую способность метода). Исследования скважин акустическими методами базируются на определении времени прохождения продольных волн от источника ультра- звуковых колебаний до их приемника или к определению времени прохо- ждения волн между двумя приемниками. Рис. 3.20 Двухэлементный (а), трехэлементный (б), четырехэлементный (в) зонды 70 В аппаратуре для изучения упругих свойств горных пород (V P , V S , α P , α S ) обычно используют зонды с тремя элементами и более. Трех эле- ментов достаточно, чтобы определить величины ∆t (интервальное время ∆t = 1/V P ) и α, не искаженные влиянием скважины. При этом регистрируют величины: ∆t = (t 2 – t 1 ) / S и α = (1 / S)ln(A 1 / A 2 ), (3.7) где, t i – время прихода к приемнику преломленной волны i-го излучателя; ∆t – ее амплитуда. Как видно на рисунке 3.21, разность времен прихода волн от двух излучателей равна: И’ 1 И’ 2 / V = S / = S∆t различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаблением на пути И` 1 ; И` 2 , т.е.: A 2 / A 1 = e –αS , (3.8) В качестве излучателейв зондах AК используют обычно магнитост- рикционные электроакустические преобразователи, а в качестве приемни- ков – пьезоэлектрические. Магнитострикция – изменение формы и разме- ров тела при намагничивании. Она обратима: при удлинении и сокращении магнитострикционных материалов возникает ЭДС. Поэтому их можно в принципе применять и в качестве приемников. Магнитострикция значительна в ферромагнетиках (железо, никель, ко- бальт, сплавы Fe с кобальтом-пермендюр и др.). При помещении таких мате- риалов в переменное магнитное поле они меняют свои размеры, оказывают давление на окружающую среду и возбуждают в них упругие колебания. Магнитострикционным излучателям обычно придают форму цилиндров, со- осных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диаметр, близкий к диа- метру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения. На обмотку излучателя поддаются импульсы тока от специального импульсного генератора. После подачи импульса тока, маг- нитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропорциональ- ной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропор- циональной его диаметру. Амплитуда колебаний скважинных магнитострик- ционных излучателей обычно несколько микрон, диапазон частот 6–60 кГц. В необсаженных скважинах, а также в цементомерах применяют излучатели на 25 кГц, а для исследования разрезов обсаженных скважин используют бо- лее низкие частоты. Применение низкочастотных колебаний способствует увеличению глубинности метода и снижению влияния на показания крепле- |