Файл: Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин.pdf

скважине. Волна, прошедшая во вмещающие породы, напротив, может распространяться на значительное расстояние, определяемое электрическими параметрами пород. Проходящая волна, скользя вдоль границы раздела, образует в скважине преломленную (боко­ вую) электромагнитную волну, скорость распространения которой в направлении по оси скважины совпадает со скоростью распро­

странения колебаний во вме­ щающих породах. Если длина зонда в несколько раз превы­ шает диаметр скважины, поле в точке приема определяется боковой волной. Путь волны от источника до приемника слагается из участков AB, ВС и CD, на каждом из которых происходят затухание и фазо­ вый сдвиг колебаний.

В справедливости изложен­ ных представлений о распрост­ ранении высокочастотных ко­ лебаний при наличии скважи­ ны можно убедиться, сравнив значения фазы и амплитуды поля для конкретных случаев, вычисленные по формулам, по­ лученным на основании строго­

расчетов должно, очевидно, свидетельствовать о правильности вы­ сказанных выше положений.

Как показывают расчеты, такое совпадение действительно на­ блюдается при выполнении следующего основного условия: длина зонда в 2—3 раза превышает диаметр скважины. Это условие вы­ полняется в подавляющем большинстве случаев, встречающихся при каротаже. Исключение составляют каверны большого диа­ метра.

Амплитуда и фаза поля в точке приема зависят от затухания и фазовых сдвигов на отдельных участках пути, пройденных вол­ ной. Наряду с затуханием и фазовым сдвигом на участке ВС, оп­ ределяемыми интересующими нас электрическими параметрами пород, фаза и амплитуда зависят от скважины (участки AB и CD).

1 Подробнее о приближенном решении и сравнении результатов расчетов см. в разделе 3.

52

Поскольку фазовая постоянная и коэффициент затухания для бу­ рового раствора обычно выше, чем для горных пород, влияние сква­ жины па амплитуду и фазу поля в точке приема может быть опре­ деляющим. Следовательно, необходим такой способ измерения, при котором влияние скважины исключается. Этого можно до­ биться, осуществляя относительные измерения с помощью трех­ катушечного зонда с двумя приемными катушками, разнесенными на некоторое расстояние Az (рис. 19,6). В этом случае путь волны от генератора до первой и второй приемных катушек будет разли­ чаться на длину отрезка Az. Поскольку скважина вносит одинако­ вый фазовый сдвиг в волну, пришедшую к первой п ко второй приемным катушкам, в разности фаз ее влияние исчезает. Разность фаз Дер будет определяться свойствами окружающих пород на от­ резке Az. Аналогично можно утверждать, что отношение амплитуд также свободно от влияния скважины. Хотя влияние скважины сказывается на амплитуде сигнала в каждом из приемников, в от­ ношении амплитуд это влияние исключается, так как пути воли, приходящих к первой и второй катушкам, различаются только ин­ тервалом Az. Отношение амплитуд характеризует затухание волны на интервале Az.

Отметим, что измерение разности фаз или отношения амплитуд с помощью трехкатушечного зонда при благоприятных условиях позволяет исключать влияние не только скважины, но и зоны про­ никновения.

Важнейшей особенностью данного способа измерений является то, что для исключения влияния скважины и зоны проникновения не требуется выполнения условий, необходимых для обычных фо­ кусирующих зондов, используемых в индукционных методах иссле­ дования. Каких-либо ограничений на фазовые сдвиги индуцирован­ ных в среде токов не налагается. Это означает, что данный метод сохраняет фокусирующие свойства даже на частотах, равных де­ сяткам мегагерц, и при низких сопротивлениях раствора.

В зависимости от частоты поля с помощью измерений фазо­ вого сдвига и отношения амплитуд можно проводить изучение ди­ электрической проницаемости или проводимости пород, вскрытых скважиной.

Поскольку в данном способе измеряются характеристики рас­ пространения электромагнитной волны, целесообразно назвать его волновым электромагнитным каротажем. В зависимости от рабо­ чей частоты и измеряемого параметра будем различать волновой диэлектрический каротаж (ВДК) и волновой каротаж проводимо­ сти (ВКП).

Волновой диэлектрический каротаж. Измерения ведутся на ча­ стоте 40—60 МГц. Зонд трехэлементный с двумя разнесенными приемными катушками (см. рис. 19,6). Основной измеряемый па­ раметр Аф. В однородной среде разность фаз характеризуется вы­ ражением (2.54).

При частотах порядка десятков мегагерц и длине короткого

53

двухкатушечного зонда более 0,4—0,5 м последним член в (2.54), определяющий локальный характер источника, практически равен нулю и разность фаз в среде подобно плоской волне определяется простым соотношением (2.70). Поскольку влияние скважины при измерении относительных характеристик поля исключается, выра­ жения (2.54) и (2.70) в большинстве случаев остаются справедли­

т. е. разность фаз определяется диэлектрической проницаемостью пород. При 1,1 735ios/y^ O ,2 разность фаз зависит не только от е, но и от р.

Значения Дер в присутствии скважины при разных е н р пород еп и рп и бурового, раствора ес н рс совпадают со значениями Дф в однородной среде с параметрами пород, поскольку влияние сква­ жины при измерении Дер исключается. Например, зависимость Дер от р и е пород для зонда И0,2И0,8Г и частоты 60 МГц в присутст­ вии скважины полностью соответствует палетке для однородной среды, изображенной па рис. 14. На этом рисунке видно, что при удельном сопротивлении пород менее 40—50 Ом-м для определе­ ния значения г в результаты измерений необходимо вводить по­ правку на влияние р. В породах более высокого сопротивления поправки вводить не требуется.

Первый вариант волнового диэлектрического каротажа преду­ сматривает регистрацию в скважине одной относительной харак­ теристики поля — разности фаз Дф на частоте, равной нескольким десяткам мегагерц [31]. Переход от измеренных значений Дер к ве­ личине с.ц осуществляется с помощью расчетных кривых, подобных изображенным, на рис. 14. Необходимые при этом значения рп бе­ рутся из данных электрического каротажа на постоянном токе (градиент-зонд, потенциал-зонд, боковой каротаж) или индукци­ онного каротажа. К настоящему времени этот вариант ВДК опробован наиболее широко.

Другие варианты ВДК основаны на регистрации двух относи­ тельных характеристик высокочастотного поля и их совместной об­ работке, что позволяет в благоприятных условиях определить оба неизвестных параметра породы1 — вп и р„. В качестве двух харак­ теристик поля можно использовать разность фаз Дф и отношение

1 Имеется в виду, что показания высокочастотного каротажа определяются параметрами пласта н не зависят от зоны проникновения. Влияние последней исследуется в разделе 4.

54

позволяет с помощью соответствующей номограммы определить значения ег, н рп. Неблагоприятная вертикальная характеристика кривой I/г=1//і2а! ограничивает возможности практического исполь­ зования этого способа, особенно при небольшой мощности пластов.

Более благоприятные возможности для раздельного определе­ ния еп и рп открываются при совместной регистрации Дер и отно­

вертикальной характеристикой и свободных от влияния скважины, а при благоприятных условиях и зоны проникновения, можно ис­ пользовать отношения I (/іг,—/гга)//ігі| н | —hz„)/hz,\. Как бы­ ло показано [см. (2.71) и (2.72)], первое из них на частотах, рав­

55

открывает новый, перспективный путь для построения скважинной аппаратуры.

Волновой каротаж проводимости. Рабочая частота 1—3 МГц. В этом случае токи смещения, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость среды практически не влияют на результаты изме­ рений (сі)е/у^0,2). Зонд трехэлементный. Измеряемый пара­ метр — разность фаз или отноше-

Уменьшение рабочей частоты по сравнению с волновым ди­ электрическим каротажем ведет к заметному увеличению длины волны. При длине зонда, равной нескольким метрам, измерения производятся в промежуточной или волновой зоне н разность фаз как в однородной среде, так и при наличии скважины будет опре­ деляться выражением (2.54).

С учетом того, что а = Ь = р, оно запишется в виде

Аср = pAz — arc tg ------------ — ----------- .

1-I- р (zt -I- z.,) + 2p2ZlZ2

Зависимость Дер от удельного сопротивления пород для часто­ ты 1 МГц изображена на рис. 21.

Наряду с разностью фаз для определения проводимости можно было бы измерять отношение амплитуд высокочастотных сигна­ лов, наведенных в двух разнесенньГх приемных катушках.

стику. От этого недостатка можно избавиться, регистрируя отно­ шение I (hZl—hz..)jhZl\. На рис. 22 изображена зависимость этого параметра от сопротивления пород. При необходимости можно ре­ гистрировать обратную величину — отношение \hzJ(hl2—/гг,)|. Оба

56