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

отношения свободны от влияния скважины, а при соответствую­ щем выборе длины зонда и от зоны проникновения.

Измерение проводимости или сопротивления волновым мето­ дом, по-видимому, заметно расширяет возможности электрокарота­ жа. Во-первых, этим методом можно работать в скважинах с силь­ ной минерализацией бурового раствора, во-вторых, можно обеспе­ чить значительную глубинность исследования при сохранении хо­ рошей вертикальной характеристики и разрешающей способности. Подробно этот вопрос исследуется в следующих разделах. Здесь же мы ограничимся несколькими предварительными замечаниями. ' Глубинность в волновом каротаже зависит, в основном, от длины зонда, т. е. от разноса между генераторной и приемными катуш­ ками, а вертикальная характеристика — разрешающая, способ­ ность— определяется регистрируемой величиной и базой зонда Az. Породы, находящиеся в интервале между генераторной и ближай­ шей к ней приемной катушкой, при дифференциальном методе из­ мерений на показания влияют мало. Поэтому в волновом каро­ таже для увеличения глубинности можно использовать зонд дли­ ной 2—3 м и более. В отличие от этого в фокусирующих зондах индукционного типа с увеличением разноса заметно ухудшается вертикальная характеристика зонда, поскольку результаты измере­ ния определяются породами, находящимися между генераторной и приемной катушками.

Способы высокочастотного каротажа, основанные на измерении амплитуды поля

Информацию о диэлектрической проницаемости и проводимо­ сти пород в скважине можно получить, измеряя не только отно­ сительные характеристики поля, но и амплитуду вторичного поля. Разработка методов высокочастотного каротажа с индуктивными датчиками была начата именно с этих сравнительно простых и близких к индукционному каротажу вариантов. Способ изучения диэлектрической проницаемости пород путем измерения амплитуды

(ДИК) [26]. Способ изучения проводимости пород с фокусирую­ щими зондами, позволяющими измерять амплитуду поля на часто­ тах 1— 2 МГц — высокочастотного индукционного каротажа (ВИК) [14, 33].

Диэлектрический индуктивный каротаж. Рабочая частота 20— 30 МГц. Зонд трехкатушечный. Измеряемый параметр — амплиту­ да вторичного поля.

При рассмотрении физических основ диэлектрического каро­ тажа с разнесенными датчиками вначале исходили из индукцион­ ных представлений, рисуя следующую картину. Через генератор­ ную рамку пропускается ток с частотой десятки мегагерц. Создан­ ное этим током переменное электромагнитное поле возбуждает в

57

окружающих породах вихревые токи. В силу осевой симметрии генераторной рамки и скважины токовые линии имеют вид замк­ нутых окружностей, не пересекающих поверхностей раздела. Ввиду высокой частоты индуцированные в среде токи представляют собой сумму токов смещения и токов проводимости. Плотность первых пропорциональна диэлектрической проницаемости пород, плотность вторых — их проводимости. Как токи проводимости, так и токи смещения являются источником вторичного магнит­ ного поля, которое, наряду с прямым полем, наводит сигнал в приемной рамке.

Перемещая снаряд по скважине и регистрируя э. д. с. на выходе приемной катушки, мы можем судить о диэлектрической проницаемости и проводимости окружающих пород.

В случае двухкатушечного зонда сигнал в приемной катушке зависит не только от токов, индуцированных в породах, но от прямого поля и от токов, наведенных в буровом растворе, при­ чем влияние последних двух факторов является превалирующим. Поэтому необходимо использовать фокусирующий трехкатушеч­ ный зонд, позволяющий уменьшить влияние скважины и компен­ сировать прямое поле. Возможность применения фокусирующего зонда базируется па том факте, что вблизи источника токи в среде сдвинуты на 90° относительно тока в генераторной рамке. Включая в токовую (пли приемную) цепь фокусирующую катуш­ ку обратной полярности, можно попытаться добиться компенсации токов в этой области (пли соответственно сигналов от этой обла­ сти). Прямое поле компенсируется подбором числа витков в ка­ тушках в соответствии с формулой (2.52). Однако па частотах, равных десяткам мегагерц, фокусирующие свойства зонда с пос­ ледовательным включением разнополярных катушек ограничены.

Нетрудно видеть, что индукционные представления, вполне верные, удобно использовать, когда длина волны в среде намного превышает размеры зонда и области, определяющей сигнал. В данном же случае удобнее исходить из волновой картины. Как будет показано ниже, волновой подход позволяет объяснить мно­ гие наблюдаемые закономерности.

Слабое место ДИК — подверженность результатов измерений влиянию скважины при низком и высоком удельном сопротивле­ нии бурового раствора. В первом случае на результатах измере­ ний сказывается избыточная по сравнению с вмещающими поро­ дами проводимость скважины, во втором — ее избыточная диэлек­ трическая проницаемость. Зонды диэлектрического индуктивного каротажа обладают несколько менее благоприятными вертикаль­ ными характеристиками по сравнению с зондами волнового диэ­ лектрического каротажа, где измеряется разность фаз. Влияние проводимости пород сказывается на результатах измерений в ме­ тоде ДИК несколько сильнее, чем в волновом ' диэлектрическом каротаже. Соответствующие поправки здесь надо вводить и при сопротивлении пород выше 40—50 Ом-м.

58

Наиболее простой вариант ДИК заключается в измерении од­ ного параметра — амплитуды вторичного поля |/z?l— hl2|. При определении е пород используются данные об их сопротивлении, полученные с помощью других способов каротажа — бокового, стандартного электрического и т. д. Переход от измеряемой вели­

еп и рп должно производиться с помощью специальных номограмм, сходных с приведенной на рис. 20. В качестве исходных данных для раздельного определения еп и рп можно также использовать другие характеристики поля [27].

Высокочастотный индукционный каротаж. Применение индук­ ционного каротажа в разрезах с удельным сопротивлением пород свыше 30—40 Ом-м затруднительно из-за малого уровня сигналов от окружающей среды. Наряду с улучшением метрологических ха­ рактеристик аппаратуры, работающей на частотах 20—50 кГц, возможен иной путь расширения диапазона измерений. Посколь­

59

зовать относительно высокие рабочие частоты. Простой расчет по­ казывает, что увеличение предела измерений до 150—200 Ом-м требует увеличения частоты до 1-—1,5 МГц, если принять за мини­ мальный уровень полезного сигнала сигнал, равный 1 % от пря­ мого поля основного зонда.

С повышением частоты и увеличением верхнего предела из­ мерений соответственно изменяется нижняя граница измеритель­ ного диапазона. Для трехкатушечного зонда длиной 1 м и часто­ ты 1,5 МГц при измерении амплитуды вторичного поля она ста­ новится равной 1,5—2 Ом-м. Этот предел является недостаточным для практики. Таким образом, можно прийти к выводу о целесооб­ разности предложения С. М. Аксельрода [1], в котором перекры­ тие широкого диапазона измерений осуществляется с помощью двух частот. Использование частоты 50—10 кГц позволяет про­ водить измерения в диапазоне 0,3—20 Ом-м, и частоты 1—2 МГц — в диапазоне 10—200 Ом-м. Глубинность исследования на часто­ тах 1—2 МГц в разрезах со средними н высокими удельными сопротивлениями является вполне удовлетворительной. Если, следуя М. И. Плюснину [71], определять ее как диаметр цилин­ дрической области, создающей сигнал, равный 90% сигнала от однородной среды ', то, как видно из экспериментальных и рас­

4 м. Диаметр зоны исключения равен 0,6 м. Иными словами, в высокоомных породах радиальные характеристики зондов высоко­ частотного индукционного каротажа практически соответствуют характеристикам обычной аппаратуры ИК. В низкоомных породах, обладающих удельными сопротивлениями, равными единицам ом­ метров, фокусирующие свойства высокочастотных зондов нару­ шаются. В двухчастотной аппаратуре индукционного каротажа, о которой упоминалось выше, это затруднение легко преодолевается: в этих случаях используются показания низкочастотного канала.

Экспериментальные образцы аппаратуры высокочастотного ин­ дукционного каротажа успешно опробованы в высокоомных раз­ резах [14, 33]. В настоящее время ведется ее опытно-конструктор­ ская разработка.

Принцип измерения и теория высокочастотного индукционного каротажа мало отличаются от принципа измерения и теории обыч­ ного индукционного метода, к настоящему времени достаточно полно разработанного [53, 71]. Поэтому вопросы, связанные с индукционным каротажем на высоких частотах, в настоящей ра­ боте не рассматриваются.

В разделе 4 дано иное определение глубинности.