Файл: Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 80
Скачиваний: 0
Д.С. Д А Е В
ВЫСОКОЧАСТОТН Ы Е
ЗЛ ЕКТРОМАГН ИТНЫЕ
МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
СКВАЖИН
Д. С. ДАЕВ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
СКВАЖИН
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » М О С К В А 1 9 7 4
УДК [550.S3 : 622.241] |
1 |
ЭН 3-.f. |
Р |
ЧИ ÈА ньИ О І U ' о АЛЛ
5^У- м в и
Даев Д. С. Высокочастотные электромагнитные ме
тоды |
исследования скважин. М., «Недра», 1974, 192 |
стр. |
В |
книге рассмотрены физические принципы, |
тео |
рия, аппаратура и способы интерпретации новых мето доп каротажа, в которых осуществляется измерение диэлектрической проницаемости и проводимости пород. Дана характеристика электрических свойств пород при высоких (сотни килогерц — десятки мегагерц) частотах. Приведены примеры применения диэлектрического каро тажа, преимущественно при исследовании нефтяных скважин.
Изложение ведется на основе волновой трактовки, позволяющей отчетливо уяснить физическую картину явлении, происходящих при высокочастотных электро магнитных исследованиях скважин. Особое внимание уделено исследованию глубинности рассматриваемых методов каротажа.
Кинга предназначена для геофизиков и геологов, а также для научных работников и студентов старших курсов геофизической специальности.
Табл. 9, пл, 86, список лит. — 90 назв.
20804—212
137 — 74 |
(£) издательство «Недра», 1974 |
043(01)—74
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемая читателю работа содержит система тическое изложение физических основ, теории, аппара туры и методики интерпретации данных высокочастот ного каротажа. В пей рассматриваются методы, в ко торых возбуждение и измерение поля осуществляются зондами, состоящими из катушек, соосных скважине и разнесенных на некоторое расстояние. Методы, осно ванные на измерении импеданса датчиков магнитного или электрического типа, в работе не затрагиваются. Их общие принципы подробно освещены в литературе [3, 80]. Достаточно строгий анализ этих методов зат руднен из-за отсутствия необходимой теоретической базы. В настоящее время работы в области теории, ап паратуры и методики высокочастотного каротажа ве дутся в ряде научно-исследовательских, конструкторских и производственных организаций. Разработаны опытно методические образцы аппаратуры диэлектрического каротажа, начато внедрение диэлектрического карота жа в производство. В этих условиях публикация моно графии по высокочастотным методам исследования скважин представляется своевременной.
Поскольку физические принципы и теоретический аппарат высокочастотных методов, предназначенных для измерения проводимости пород, и методов, направ ленных на изучение диэлектрической проницаемости,, весьма близки, изложение ведется параллельно. В каж дом разделе рассматриваются вопросы, связанные с изучением проводимости на высоких частотах и измере нием диэлектрической проницаемости.
Постановке исследований в области высокочастотного каротажа во многом способствовал С. Г. Комаров, от носившийся к этим работам с большим интересом. Боль
шую |
помощь в |
организации |
исследований |
оказали |
A. И. Богданов, |
Ю. В. Зубов, |
Н. А. Савостьянов, |
||
Н. Н. Сохранов, А. С. Кашпк и В. Т. Чукнн. |
|
|||
В |
выполнении |
исследований, |
результаты |
которых |
положены в основу книги, наряду с автором принима
ли |
активное участие С. |
Б. Денисов, |
В. |
В. |
Аксенов, |
||||
Т. |
Р. |
Озолина, |
В. |
С. |
Зинченко, |
Ю. |
А. |
Михалевнч, |
|
B. |
П. |
Рудаков, |
А. |
Д. |
Каринский, |
В. |
Д. |
Чухвичев, |
Г. В. Шаров и др. Весьма ценными оказались советы и помощь Л. М. Альпина, Л. Л. Ваньяна и В. И. Дмит риева.
Всем лицам, принимавшим участие в работе, автор выражает глубокую благодарность.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение геологической эффективности буровой геофизики тесно связано с созданием новых способов исследования скважин. К параметрам, которые до последнего времени не использовались при каротаже, относится диэлектрическая проницаемость (е) гор ных пород. Целесообразность измерения этой величины очевидна. Диэлектрическая проницаемость породы тесно связана с видом и количеством насыщающего ее флюида. Поскольку е воды равна 80 отн. ед., а нефти — 2,5 отн. ед., водонасыщенные и нефтенасыщенные породы заметно различаются по диэлектрической прони цаемости. Это различие сохраняется и в тех случаях, когда из-за слабой минерализации воды нефте- и водонасыщенные породы неразличимы по удельному сопротивлению. Измерение диэлек трической проницаемости представляет интерес и в других слу чаях, в частности, при изучении гидрогеологических и инженерно геологических скважин.
Диэлектрическая проницаемость горных пород заметно влияет на электромагнитное поле лишь на частотах, равных десяткам мегагерц. Поэтому для изучения данного параметра должны при меняться высокочастотные методы исследования.
Высокочастотные электромагнитные поля можно также исполь зовать для изучения проводимости пород в скважине (в этом случае применяются частоты порядка единиц мегагерц). Здесь открывается возможность создания методик измерений, обеспечи вающих некоторые преимущества по сравнению с известными спо собами изучения электропроводности.
Первые попытки создания способов измерения диэлектрической проницаемости пород в скважине принадлежат Мартинсену [88, 89]. Им предложены два метода определения е. В первом методе в скважину помещается открытый конденсатор с цилиндрически ми обкладками, который можно рассматривать как электриче скую дипольную антенну. Комплексное сопротивление антенныконденсатора зависит от диэлектрической проницаемости и про водимости окружающих пород. Второй вариант метода и соответ ствующего устройства предусматривает индуктивное возбуждение поля с помощью соленоида. Измерение импеданса соленоида поз воляет характеризовать диэлектрическую проницаемость и про
5
водимость окружающей среды. Теоретическое обоснование мето да, основанного на измерении импеданса соленоида, дал в 1959 го ду Бухгейм [84].
ВСССР исследования в области диэлектрического каротажа были начаты В. Н. Дахновым. В дальнейшем работы в этой об ласти велись Г. Я- Черняком и С. М. Аксельродом [5, 2, 80]. Развиваемый ими метод во многом сходен с емкостным методом Мартинсена. Основным элементом устройства, помещаемого в скважину, здесь также является конденсатор с цилиндрическими обкладками, составляющий часть колебательного контура. Осо бенность метода и аппаратуры Черняка и Аксельрода состоит в том, что производится измерение двух величин — частоты тока и напряжения в колебательном контуре. В принципе это позволяет определить диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь окружающей среды. Однако емкостной вариант диэлектрического каротажа к настоящему времени не нашел распространения. Это связано с недостаточной разработанностью теоретических основ данного метода измерений и его малой глубинностью. Поэтому наряду с совершенствованием емкостного метода целесообразно было продолжить поиски других вариантов диэлектрического каротажа.
В1963—1964 годах в Сибирском отделении АН СССР автором
иА. А. Кауфманом были начаты работы по созданию метода из мерения е, основанного на возбуждении в скважине высокоча стотного электромагнитного поля и измерении амплитуды вторич ного поля на некотором расстоянии от источника. В дальнейшем этот метод получил название диэлектрического индуктивного ка ротажа. Благодаря удалению приемника от генератора на некото рое расстояние, глубинность исследования этим методом выше, чем при измерении импеданса конденсатора или соленоида. Важ ным моментом является использование сравнительно простого по структуре поля, в котором вектор напряженности электрического поля не пересекает поверхностей раздела между участками среды с разными электрическими свойствами.
В1966 году автором предложен способ высокочастотного каро тажа, принцип которого состоит в измерении разности фаз элек тромагнитного поля между двумя разнесенными приемными ка тушками, находящимися на некотором расстоянии от генератор ной рамки [29]. При применении частот в несколько десятков мегагерц разность фаз в основном определяется диэлектрической проницаемостью пород. Для обоснования способа и объяснения физической картины происходящих явлений используется пред ставление об электромагнитных волнах, распространяющихся от источника поля и испытывающих на пути фазовые сдвиги и зату хание, величины которых зависят от параметров среды. Несколько позже аналогичный способ был запатентован Пои и Леви во Фран ции для изучения проводимости пород в скважине на частотах порядка единиц мегагерц — сотен килогерц [86J. Наряду с изме
6
рением разности фаз предусматривалась возможность измерения отношения амплитуд сигналов, наведенных в разнесенных прием ных катушках. В 1967 году вариант способа с измерением отно шения амплитуды для исследования проводимости пород был не зависимо предложен И. М. Заслоповым [43].
В последующие годы в области высокочастотного каротажа рядом научно-исследовательских, конструкторских и производст венных организаций (Моек, геол.-разв. ин-т, Ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, Сиб. науч.-исслед. ин-т геол., геофиз. и минерального сырья, Центр, геофиз. экспедиция, тресты Татнефтегеофизика и Тюменпефтегеофизика МНП, Киевское ОКБ геофиз. приборострое ния и др.) были выполнены большие работы. Осуществлены тео ретические исследования, созданы опытные образцы аппаратуры, проведены успешные работы в скважинах, начато внедрение вы сокочастотных методов в производство [31, 34, 15, 65, 44 и др.]. Таким образом, в электрическом каротаже оформилось новое на правление, объединяющее группу методов, предназначенных для измерения диэлектрической проницаемости и проводимости пород в скважине и использующих для этого частоты от сотен килогерц до десятков мегагерц и зонды с разнесенными датчиками. Изме рения проводятся в волновой или промежуточной зоне генератора. Это определяет специфику методики измерений и трактовки физи ческой картины происходящих явлений.
В результате теоретических исследований получены достаточно полные материалы, характеризующие поведение высокочастотного электромагнитного поля в однородной среде, в скважине и в пла стах ограниченной мощности. Это позволило сделать обоснован ные выводы об оптимальных рабочих частотах, типах и размерах зондов, характеристиках высокочастотного поля, которые подле жат измерению.
Исследовано влияние скважины на результаты наблюдений и обоснованы способы его исключения. Установлено, что наиболее эффективным методом исключения влияния скважины является измерение относительных характеристик поля — разности фаз или отношения амплитуд. Измерение этих характеристик позволяет из бавиться от влияния скважин вплоть до частот, равных десяткам мегагерц.
Весьма важное значение имеет обоснование волнового подхода к физической трактовке явлений в высокочастотном каротаже. Это позволило, в частности, внести ясность в очень важный вопрос о глубинности высокочастотных методов и факторах, определяю щих глубинность исследования. Было установлено, что даже на частотах 40—60 МГц глубинность зондов метровой длины состав ляет 0,3—0,4 м. Это делает возможным использование диэлектри ческого каротажа при решении актуальных задач нефтепромыс ловой геологии, в первую очередь при определении характера насыщения пластов. Что касается методов высокочастотного ка ротажа, направленных на изучение проводимости пород и исполь-
7
зующпх частоты порядка единиц мегагерц, то глубинность их прак тически не уступает глубинности индукционного каротажа.
Разработка аппаратуры высокочастотного каротажа проводи лась, в основном, применительно к условиям нефтяных скважин. Естественно поэтому, что основной объем скважинных измерений выполнен на нефтяных месторождениях (Ромашкинском и др.). Это, однако, не означает, что высокочастотные методы имеют ограниченные перспективы при исследовании инженерно-геологи ческих и гидрогеологических скважин. Напротив, работы, выпол ненные в таких скважинах в самое последнее время, указывают на высокую эффективность высокочастотных методов при детальном расчленении разреза, определении водоносных интервалов, опре делении литологии пород.
Опыта применения высокочастотных методов в угольных и руд ных скважинах пока нет. Однако из общих соображений очевид но, что и на этих объектах измерение новых для буровой геофи зики параметров — диэлектрических проницаемости и проводимо сти на высоких частотах представляет значительный интерес.
1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
Электромагнитные свойства горных пород характеризуются удельным электрическим сопротивлением р, диэлектрической про ницаемостью е и магнитной проницаемостью р. Магнитная прони цаемость осадочных пород практически не отличается от прони цаемости вакуума и ниже не рассматривается. Факторы, опреде ляющие удельное электрическое сопротивление пород, хорошо исследованы и подробно рассматриваются в ряде руководств по электрическим методам разведки и буровой геофизике. Диэлек трическая проницаемость горных пород, напротив, освещается достаточно полно лишь в немногих работах [36, 55, 66]. Поэтому ниже приводятся основные сведения о диэлектрической проницае мости пород, а затем обсуждается поведение удельного сопротив ления и диэлектрической проницаемости при высокой частоте поля.
Прежде чем перейти к характеристике диэлектрических свойств минералов и горных пород, остановимся на отдельных положениях теории поляризации вещества.
Сведения из теории диэлектриков
В поляризующихся средах под действием электрического поля происходит ориентация имеющихся дипольных молекул или обра зование новых диполей за счет смещения электронов, атомов и ионов. Это приводит к появлению дополнительного вторичного поля, складывающегося с первичным. Поляризация количественно характеризуется вектором поляризации Р, который можно опре делить как дипольный момент единицы объема [10]. В электри ческом поле поляризация обычно пропорциональна поляризующе му полю:
Р = аЕ, |
( 1. 1> |
9