§16. Боковий каротаж

Триелектродний боковий каротаж

Як відомо, відношення визначає межі застосуванні того або іншого методу ПО. При наявності в розрізі свердловини високоомних пластів і сильно мінералізованого бурового розчину ( ) використання методів, що базуються на дослідженнях звичайними зондами ПО, є неефективним, оскільки електричний струм від живлячих електродів буде розповсюджуватися переважно по стовбуру свердловини (по буровому розчину), і основне падіння напруги буде відбуватися саме в буровому розчині (рис 30, а). Але, для визначення питомого опору пласта гірської породи необхідно знати падіння напруги саме в межах цього пласта. Тому, в даному випадку необхідно використати інші зонди, які дозволяють сфокусувати лінії електричного струму в напрямку, перпендикулярному до вісі свердловини (радіальному напрямку), тобто безпосередньо в досліджуваний пласт (рис 30, б). Це стає можливим за умови використання спеціальних зондів – екранованих зондів бокового каротажу.

Рис. 30. Розподіл ліній електричного струму напроти пласта високого опору (щільний вапняк), розташованого в низькоомному середовищі (глини): а) типова ситуація для методів позірного опору та опору не екранованого заземлення – струм розтікається переважно по свердловині та низькоомним пластам, оминаючи пласти високого опору; б) за умови розташування обабіч центрального струмового електрода А₀ двох екрануючих електродів А₁ та А₂, які знаходитимуться під тим самим потенціалом, що і електрод А₀, лінії струму центрального електроду за рахунок екранних ефектів спрямовуються безпосередньо в досліджуваний пласт.

В частковому випадку триелектродного бокового каротажу (БК-3) конструкція такого зонду передбачає окрім наявності в свердловині одного живлячого електрода , що називається центральним струмовим електродом, ще двох додаткових екрануючих електродів і , що розташовані симетрично відносно центрального (рис. 31). Призначення цих екрануючих електродів полягає у тому, щоб сфокусувати електричне поле центрального електрода і спрямувати лінії електричного струму безпосередньо в пласт. На практиці це досягається двома шляхами: 1) сила струму через екранні електроди автоматично (за допомогою регулюючого пристрою, розташованого в каротажній станції на поверхні) підтримується такою, щоб різниця потенціалів між центральним і екрануючими електродами дорівнювала нулеві (рис. 32, а); 2) із використанням шунта малого опору (  Ом), який включається між центральним і екранними електродами (рис. 32, б). В обох випадках досягається вирівнювання потенціалів усіх трьох електродів, тобто . Внаслідок цього струм центрального електроду не розтікається по свердловині, а розповсюджується в геологічне середовище перпендикулярно до вісі свердловини в шарі, товщина якого приблизно дорівнює довжині центрального електрода (рис. 31, б).

Рис. 31. Триелектродний боковий каротаж з автоматичним фокусуванням струму: а) ескіз каротажного зонду із позначенням основних габаритних розмірів; б) характер розподілу ліній струму в однорідному ізотропному середовищі.

Центральний електрод являється одночасно вимірювальним електродом M, до якого і відносяться результати вимірів (тобто він же являється і точкою запису). Реєструється зміна потенціалу електрода M відносно віддаленого електрода N, що знаходиться в свердловині. Характерними розмірами триелектродного фокусованого зонду БК-3 являються: довжина – відстань між серединами ізоляційних інтервалів між центральним та екранними електродами, – відстань між зовнішніми кінцями електродів і , діаметр зонду (рис. 31, а).

Електроди триелектродного фокусованого зонду, на відміну від електродів звичайних зондів методів ПО (що вважаються точковими), являють собою об’ємні тіла, тому розрахунки електричного поля такого зонду значно складніші. Коефіцієнт зонду визначається геометричними параметрами зонду:

(48)

Загальна довжина триелектродного зонду апаратури типу АБК-Т вибирається рівною приблизно = 3.2 м; довжина центрального електрода 0.15 м (при цьому відстань між серединами ізоляційних інтервалів складає  = 0.17 м). Діаметр зонду обумовлюється діаметром свердловини і зазвичай приймається рівним = 73 мм.

Зауважимо, що коефіцієнт зонда (параметри зонда) вибирається таким, щоб в однорідному середовищі ефективний опір, виміряний цим зондом, дорівнював істинному питомому опору.

Рис. 32. Дві схеми забезпечення фокусування струму центрального електрода зонду БК-3: а) із використанням регулюючого пристрою (РП), що автоматично вирівнює потенціали центрального А₀ та екранних електродів А₁, А₂; б) шляхом з’єднання центрального й екранних електродів через шунт низького опору R₀. В першому випадку ρ_еф є прямопропорційним виміряному значенню потенціалу ∆U_A0N центрального електрода А₀ по відношенню до віддаленого електрода N при постійному значенні струму І_А0В, що стікає з А₀. В другому випадку для визначення ρ_еф вимірюється сила струму І_А0В (що є прямопропорційною падінню напруги ∆U_R0 на шунті R₀) та значення потенціалу екранних електродів А по відношенню до віддаленого електрода N; Д – пристрій ділення сигналів.

Криві методу БК-3 характеризуються значною роздільною здатністю (яка залежить від відстані ), за ними достатньо впевнено виділяються пласти потужністю 0.5–1.0 м. Застосування триелектродного фокусованого зонду виключає екранні ефекти одного пласта іншим. У зв’язку із цим метод БК-3 є досить ефективним при вивченні тонкошаруватих розрізів і неоднорідних пластів, а також високоомних розрізів.

Радіус досліджень триелектродним фокусованим зондом залежить від його загальної довжини і складає 1–2 м в залежності від геоелектричної характеристики досліджуваного розрізу.

Семиелектродний боковий каротаж

Сталість розмірів зонду БК-3 унеможливлює зміну глибинності (радіусу) дослідження, що не дозволяє при інтерпретації отриманих результатів таким зондом з’ясувати, чому відповідає зареєстроване – істинному питомому опору пласта чи опору зони проникнення пласта-колектора. У зв’язку із цим були розроблені інші типи фокусованих зондів бокового каротажу, зокрема семиелектродний і дев’ятиелектродний, що мають різну глибинність дослідження.

Семиелектродний зонд методу ОЕЗ з автоматичним фокусуванням струму складається із центрального живлячого електрода , двох екранних електродів і та двох пар вимірювальних електродів і та і , що розміщуються між центральним та екранними електродами. Однойменні електроди розташовані симетрично відносно центрального електроду та з’єднані між собою попарно (рис. 33, а). Через електрод пропускається струм силою , величина котрого в процесі запису підтримується сталою. Через екранні електроди і сила струму автоматично підтримується такою, щоб різниця потенціалів між електродами і (або і ) дорівнювала нулеві:

Рівність потенціалів означає, що на ділянках свердловини та струм відсутній, а це призводить до спрямування його від центрального електрода в пласт практично горизонтально. За рахунок цього зменшується вплив свердловини на результати вимірів, і зареєстроване є більш наближеним до пласта.

При реєстрації кривої ефективного опору семиелектродним фокусованим зондом фіксується потенціал одного із вимірювальних електродів відносно віддаленого електроду N.

Ефективний питомий опір розраховується за відомою формулою:

,

де – коефіцієнт семиелектродного фокусованого зонду; – сила струму, що проходить через центральний електрод ; – різниця потенціалів між одним із вимірювальних електродів зонду і віддаленим електродом N.

Коефіцієнт семиелектродного фокусованого зонду визначається лише геометричними розмірами зонду (відстанями між електродами) і розраховується за формулою:

(49)

Характерними розмірами семиелектродного фокусованого зонду є його довжина між серединами інтервалів та і загальний розмір – відстані між екранними електродами. За точку запису кривої умовно приймається центральний електрод . Важливою характеристикою зонду є параметр фокусування:

.

Параметр впливає на форму ліній струму, що виходять з центрального електроду. Із збільшенням , тобто з наближенням вимірювальних електродів до центрального, пучок ліній струму з електрода звужується (при цьому, відповідно, покращується роздільна здатність по вертикалі), а при зменшенні – розширюється.

Вплив свердловини і зони проникнення на можна виключити в тому випадку, якщо загальний розмір семиелектродного фокусованого зонда є значно більшим за діаметр свердловини . Проте збільшення довжини зонда погіршує виділення тонких пластів. Зазвичай вибирається зонд із загальним розміром 2-3 м. Для неоднорідного середовища, в залежності від свердловинних умов вимірів, вибирається зонд із  м і або  м і . На практиці використовуються зонди різних розмірів і, відповідно, з різним радіусом дослідження, наприклад: – з великим радіусом дослідження, – з малим радіусом дослідження, що дає змогу вивчати питомий опір пластів гірських порід в радіальному напрямку.

Рис. 33. Схеми зондів бокового каротажу із зазначенням характерних розмірів: а) семиелектродний зонд; б) дев’ятиелектродний нормалізований зонд; в) дев’ятиелектродний псевдоекранований зонд.

Дев’ятиелектродні модифікації бокового каротажу

Виділяють дев’ятиелектродний боковий каротаж та дев’ятиелектродний псевдобоковий каротаж.

Для збільшення радіусу дослідження використовують дев’ятиелектродний фокусований зонд, в котрому між екранними електродами і та вимірювальними електродами N₁ і N₂ встановлені зворотні струмові електроди В₁ і В₂ (рис. 33, б). За такого взаємного розташування струмових електродів для забезпечення рівності потенціалів ( ) сила струму екранних електродів має значно переважати силу струму центрального електроду . Тоді струм ще більш сконцентрованим пучком (у порівнянні із семиелектродним зондом) буде спрямовуватися в пласти гірських порід, і його розтікання по свердловині фактично повністю унеможливлюється. Такий дев’ятиелектродний боковий зонд, що також називається нормалізованим, за рахунок значного радіусу досліджень дозволяє вивчати , яке є прямо пропорційним .

Натомість, псевдобоковий дев’ятиелектродний зонд є аналогом семиелектродного, але, на відміну від останнього, його зворотній живлячій електрод B (у вигляді двох електродів , ) наближений безпосередньо до електродної установки і розташований симетрично відносно центрального електроду зовні екранних електродів і (див. рис. 33, в). Через електроди , і замикається струмовий ланцюг. У зв’язку з малою відстанню від зворотних електродів і до зонду утворюється такий розподіл ліній струму центрального електроду, за якого більша частина потенціалу падає у безпосередній близькості від свердловини (у зоні проникнення для пластів-колекторів). У зв’язку із цим радіус досліджень дев’ятиелектродного псевдобокового зонду є значно меншим, ніж семиелектродного.

За принципом роботи псевдобоковий дев’ятиелектродний зонд є аналогічним семиелектродному, і до нього є застосовними ті ж самі теоретичні розрахунки. Умовою фокусування струму центрального електрода являється також рівність потенціалів на електродах і (або і ). Характерні розміри дев’ятиелектродного псевдобокового зонду є аналогічними до семиелектродного: довжина між серединами інтервалів та ; розмір – відстані між екранними електродами; також додається відстань між зворотними електродами . Параметр фокусування визначається аналогічно: .

Приклад дев’ятиелектродного псевдобокового зонду, що часто використовується на практиці: . Цей зонд володіє гарною вертикальної характеристикою (роздільною здатністю), і його показання лінійно залежать від питомого опору ближньої до зонду зони.

Апаратура та методика проведення досліджень методами бокового каротажу

Існує два основних підходи до вимірів апаратурою ОЕЗ з автоматичним фокусуванням струму: 1) з автоматичним компенсуванням міжелектродної різниці потенціалів при постійному струмі через центральний електрод ; 2) з роздільною реєстрацією сили струму і різниці потенціалів.

Апаратура АБК-3

В апаратурі триелектродного бокового каротажу АБК-3 електронна схема свердловинного приладу живиться з поверхні постійним стабілізованим струмом силою біля 250 мА (рис. 32, а). Через електроди зонда пропускається змінний струм частотою 500 Гц від авторегульованого генератора, що знаходиться в свердловинному приладі. Рівність потенціалів усіх трьох електродів зонда досягається з’єднанням їх між собою. Напруга на виході генератора автоматично регулюється таким чином, щоб сила струму, що протікає через центральний електрод, залишалася постійною незалежно від електричних і геометричних параметрів оточуючого середовища. Сила струму через центральний електрод підтримується постійною і контролюється за допомогою шунта Ом.

Різниця потенціалів , що знімається з електродів зонда по відношенню до віддаленого електрода N (який розташовується на ізольованій ділянці кабелю не ближче, ніж на 20 м від верхнього екранного електрода ), підсилюється підсилювачем і по каротажному кабелю передається на поверхню, де сигнал випрямляється, знову підсилюється та реєструється. Оскільки є пропорційною , а сила струму, що протікає через центральний електрод, є постійною, то зафіксована реєстратором крива представляє собою діаграму ефективного питомого опору. В якості оберненого живлячого електрода B використовується броня кабелю.

Апаратура АБКТ

Схема досліджень триелектродним зондом апаратури АБКТ наведена на рис. 32, б. Стабілізований генератор струму Г, що знаходиться на поверхні, живить електроди зонду змінним струмом частотою 400 Гц. Для досягнення рівності потенціалів усіх електродів центральний електрод А₀ з’єднується з екранними електродами А₁А₂ через шунт малого опору (  Ом). Падіння напруги на шунті є прямо пропорційним струму , що стікає з центрального електрода А₀, а падіння напруги характеризує потенціал електродів зонда по відношенню до віддаленого електрода . Обидві різниці потенціалів перетворюються частотними модуляторами, підсумовуються і підсилюються вихідним підсилювачем та передаються по каротажному кабелю на поверхню.

Сумарний сигнал із свердловинного приладу поступає в наземну апаратуру, де розділяється смуговими фільтрами. Сигнали, розділені по каналах, фіксуються частотними детекторами та випрямляються фазочутливими випрямлячами. Випрямлені сигнали, пропорційні силі струму та різниці потенціалів , поступають на пристрій ділення Д, за допомогою котрого відбувається ділення на . Далі сигнал, пропорційний , подається на реєструючий прилад (реєстратор), котрий записує криву ефективного опору .

В практиці виконання геофізичних дослідження свердловин апаратура АБК-3 (та деякі її модифікації) і апаратура АБКТ набули найбільш широкого розповсюдження. Апаратура АБКТ являється на теперішній момент комплексною і окрім триелектродного методу БК дає можливість проводити звичайний електричний каротаж комплектом зондів БКЗ. Увесь комплекс вимірів складається з п’яти циклів (спуско-піднімальних операцій в інтервалі дослідження), з котрих три необхідні для вимірів трьома групами зондів БКЗ, один для вимірів зондом БК-3 і один – для запису кривої СП.

Масштаб запису за глибиною складає 1:500 у випадках, коли зонд БК-3 застосовується в якості стандартного зонду ПО (в умовах сильно мінералізованого бурового розчину і значних опорах гірських порід), і 1:200 в інтервалах детальних досліджень. Швидкість запису зазвичай (як і в методах ПО) не перевищує 3000 м/год.

Масштаб реєстрації визначається діапазоном зміни значень питомого опору гірських порід. Якщо перепад опорів є незначним, він вибирається лінійним, а якщо спостерігається сильна диференціація порід за питомим опором (в десятки разів), – логарифмічним, що дає змогу уникнути переносу масштабів та покращує візуалізацію діаграми при чергуванні пластів низького і високого опорів.

Апаратура БКС

Існує декілька модифікацій цієї апаратури, зокрема БКС-1, БКС-2.

Апаратура семиелектродного бокового каротажу БКС-2 призначена для дослідження нафтових і газових свердловин діаметром від 140 до 300 мм шляхом проведення вимірів питомого електричного опору гірських порід почергово двома зондовими установками з різною глибинністю досліджень – великим зондом (БК-7В) і малим (псевдобоковим дев’ятиелектродним) зондом (БК-7М) в середовищі з промивальною рідиною на водній основі з температурою в інтервалі досліджень до 150 ˚С і тиском до 100 МПа.

Зондова установка апаратури БКС-2 (рис. 34) складається з центрального струмового електрода А₀ і чотирьох пар симетрично розташованих відносно нього електродів M₁ i M₂, N₁ i N₂, A₁ i A₂, A^*₁ (В₁) i A^*₂ (В₂). Симетричні однойменні електроди попарно з’єднані між собою.

Зонд БК-7В складається з центрального електрода А₀, вимірювальних електродів M₁, M₂, N₁, N₂, екранних електродів A₁, A₂, A^*₁, A^*₂ і зворотного електрода В, котрим слугує обплетення кабелю (ОК). Зонд малої глибинності БК-7М (псевдобоковий дев’ятиелектродний) складається з центрального електрода А₀, вимірювальних електродів M₁, M₂, N₁, N₂, екранних електродів A₁, A₂ і зворотних електродів В₁, В₂.

Електроди розташовані на центральній частині зонду 2. Верхній екранний електрод A^*₁ (В₁) являється кожухом електронного блоку 3, нижній A^*₂ (В₂) – пустотіла штанга 1. За необхідності на верхньому і нижньому екранних електродах встановлюються центруючі пристрої. Віддалений електрод N розташований на косі 4. Центральний електрод А₀ підключений до джерела змінного стабілізованого струму І₀ частотою 400 Гц. Через екранні електроди протікає струм І_Е, сила котрого автоматично регулюється так, щоб значення величини напруги U_MN між вимірювальними електродами M₁ i N₁ та M₂ i N₂ було постійним за значенням та рівним нулеві. При цьому струм між цими електродами також практично відсутній.

Рис. 34. Схема зондової установки апаратури БКС. Суцільними стрілками позначені лінії струму великого зонда БК-7В, пунктирними – лінії струму малого (псевдобокового) зонда БК-7М.

Для зонда БК-7В струм І₀, що стікає з електрода А₀, розповсюджується на деяку відстань в радіальному напрямку перпендикулярно до вісі свердловини. Різниця потенціалів ΔU вимірюється між зовнішнім вимірювальним електродом N₁ та віддаленим електродом N.

Для зонда БК-7М внаслідок близького розташування від електрода А₀ електродів A^*₁ і A^*₂, що являються для цього зонда зворотними струмовими електродами В₁ і В₂, струм центрального електрода швидко розфокусується із віддаллю від стінки свердловини і замикається на електроди В₁, В₂, і тому вимірювана напруга залежить в основному від питомого опору присвердловинної частини пласта.

Стабільність струму забезпечується включенням в ланцюг центрального електрода А₀ значного баластного опору. Сила струму регулюється автокомпенсатором. Вимірювана різниця потенціалів ΔU передається на поверхню по двом телеметричним каналам частотної модуляції з несучими частотами 7.8 та 25.7 кГц і з кратністю між модулюючими сигналами в 25 разів для розширення діапазону вимірів.

Для калібрування телеметричних каналів на поверхню передаються так звані «нуль»- і «стандарт»-сигнали.

Комутація режимів роботи здійснюється шляхом короткочасного розриву ланцюга живлення свердловинного приладу і повторного ввімкнення через блок управління 5. На пульті 7 частотно модульовані сигнали вимірювальних каналів перетворюються у напругу постійного струму для запису каротажною станцією 8. Для живлення апаратури БКС-2 слугує уніфіковане джерело живлення 6.

Апаратура БКС-2 працює з любою каротажною станцією, що має уніфіковане джерело живлення (УДЖ-К або УВК-1) та вимірювальний пульт частотної модуляції (ВПЧМ), з одножильними каротажними кабелями довжиною до 5000 м. Масштаби глибин та запису є аналогічними апаратурі АБК-3.

Метод семиелектродного бокового каротажу в ряді районів являється єдиним для кількісного визначення досліджуваних пластів і в багатьох випадках дозволяє впевнено виділяти продуктивні колектори.